Charakterisierung von Liquid Jets unter der Verwendung von Glasdüsen mit und ohne piezoelektrischen Trigger
Bachelor Abschlussarbeit
im Studiengang Physikalische Technik An der Fachhochschule Lübeck
Vorgelegt von:
Torben Kalff Matrikelnummer: 233864
Betreuer:
Prof. Dr. Manfred Rößle
28.08.2017
Bachelor Abschlussarbeit
Thema:
Charakterisierung von Liquid Jets unter der Verwendung von Glasdüsen mit und ohne piezoelektrischen Trigger
Zusammenfassung:
Liquid Jets finden heute Verwendung in vielen Bereichen der Wissenschaft und der Technik. In dieser Arbeit werden Liquid Jets für Röntgenstreuexperimente im Vakuum charakterisiert. Genauer gesagt für Rheologie Experimente mit denen man die Orientierung von Partikeln im Jet untersucht und für Messung von unterkühlten Flüssigkeiten und deren Kristallisation. Bei letzterem werden die Tropfen nach dem Zerfall des Jets untersucht. Für die Rheologie Experimente ist ein möglichst langer Jet von Vorteil und für die Messung der unterkühlten Flüssigkeiten werden gleich große Tropfen benötigt.
Die Jets und Tropfen zweier Einspritzsysteme wurden im Rahmen dieser Arbeit charakterisiert, zum einen Gas Dynamik Virtual Nozzles (GDVN) und zum anderen eine piezogesteuerte Düse. Es wurden GDVNs mit Innendurchmessern vonʹͲɊ െ ͳͲͲɊ hergestellt und die erzeugten Jets mit einer Hochgeschwindigkeitskamera charakterisiert. Es konnten lineare Zusammenhänge zwischen Jetlänge und Jetdurchmesser, sowie zwischen Jetlänge und Düsendurchmesser gezeigt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis vom Tropfendurchmesser zum Jetdurchmesser einer GDVN gut mit dem Verhältnis für eine Rayleigh Düse übereinstimmt.
Für die piezogesteuerte Düse konnte gezeigt werden, dass die Produktion von gleich großen Tropfen mit dem verwendeten Aufbau bis zu einem Druck von ൌ ͲͲܾ݉ܽݎ möglich ist. Bis zu einem Drucke von etwa ൌ ͲͲܾ݉ܽݎ konnte das Phänomen der aufgespaltenen Jets beobachtet werden und für tiefere Drücke konnte beobachtet werden, dass ein Jet aus der Düse gezogen wurde. Der Zerfall des Jets konnte durch das Piezosignal beeinflusst werden.
Inhalt
1. Einführung ... 1
1.1 Systeme zum Erzeugen von dünnen Flüssigkeitsjets und ʹfilmen ... 4
1.1.1 Liquid Film Tunnel ... 4
1.1.2 Electrospinning ... 4
1.1.3 Supersonic Jets ... 4
1.1.4 Gas Dynamic Virtual Nozzle in verschiedenen Bauformen ... 5
1.1.5 Piezogesteuerte Düsen ... 8
1.2 Einführung in die Physik von Liquid Jets ... 9
2. Gas Dynamic Virtual Nozzle (GDVN) ... 14
2.1 Aufbau einer GDVN ... 14
2.2 Testkammeraufbau ... 15
2.3 Testkammer mit Hochgeschwindigkeitskamera ... 19
2.4 Jetmessung mit Hochgeschwindigkeitskamera ... 21
3. Piezogesteuerte Düse ... 27
3.1 Funktionsweise einer piezogesteuerten Düse ... 27
3.2 Vertikaler Aufbau der piezogesteuerten Düse ... 31
3.3 Horizontaler Aufbau der piezogesteuerten Düse... 35
3.4 Piezogesteuerte Düse in Vakuumkammer ... 42
4. Branching Jets ... 45
5. Diskussion ... 47
5.1 Limitierungen ... 47
5.1.1 Herstellung der GDVN ... 47
5.1.2 Piezogesteuerte Düse ... 48
5.2 Zusammenfassung ... 50
6. Quellenangabe ... 51
7. Anhang ... 54
7.1 GDVN ... 54
1. Einführung
Unter einem Jet versteht man einen gebündelten Strahl von Materie. In unserem Alltag begegnen uns Jets zumeist in Form von Wasser, z.B. beim Öffnen des Wasserhahnes, beim Bewässern des Gartens oder in Form von Fontänen bei Springbrunnen. Wasserjets werden unter anderem auch in der Industrie eingesetzt um Materialien wie zum Beispiel Metalle, Keramiken oder Textilien zu schneiden. Der Wasserstrahl wird dabei unter hohem Druck bis zu dreifacher Schallgeschwindigkeit beschleunigt [1].
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf Flüssigkeitsjets, sogenannten Liquid Jets, im Mikrometer Bereich.
Diese Form der Liquid Jets sind für verschiedene Felder der Wissenschaft und Technik von Interesse, wie etwa für die Physik, Chemie, Biologie, Medizin und die Pharmazie. So lassen sich beispielsweise Kristallographie Experimente mit Liquid Jets durchführen, insbesondere an Free Elektron Lasern [2].
Dabei sind dann beispielsweise Proteine in einer Probenflüssigkeit [3]. In der Medizin forscht man z.B. an Arzneiverabreichungs methoden, bei denen nur geringste Dosen an den Patienten verabreicht werden [4]. Piezogesteuerte Düsen werden z.B. verwendet um Proben mit menschlichen Fibroblasten zu dosieren, um dann weitere Tests mit den Zellen durchzuführen [5].
Liquid Jets haben die Eigenschaft nach einer gewissen Zeit bzw. Länge in Tropfen zu zerfallen. Die ersten Untersuchungen von Jets und ihrem Zerfall führte bereits Leonardo da Vinci im 15.
Jahrhundert durch, siehe Abbildung 1. So schreibt er über den Zusammenhalt von Flüssigkeiten (Wasser) und ihre Rolle bei der Bildung von Tropfen, dass Wasser eine gewisse Zähigkeit besitzt, die sich auch im Zusammenhalt seiner Bestandteile wiederspiegelt. Das wird besonders deutlich beim Lösen eines Tropfens von der restlichen Flüssigkeit, wobei die restliche Flüssigkeit durch das Gewicht des Tropfens gestreckt wird, bis sich der Tropfen löst. Weiter schreibt er, dass die restliche Flüssigkeit, nachdem sich der Tropfen gelöst hat, entgegen der Gravitation zurück nach oben, zur restlichen Flüssigkeit, bewegt [6].
Da Vinci bemerkte, dass die Ablösung eines Tropfens, der aus einem Wasserhahn fällt, durch die Bedingung bestimmt ist, dass die Schwerkraft die
Oberflächenspannung überwindet. Allerdings ging er davon aus, dass dasselbe Prinzip die Trennung eines Tropfens regelt, der sich an einem ausreichend ausgedehnten Flüssigkeitshals gebildet hat.
Ende des 17. Jahrhunderts untersuchte Emre Mariotte dem Zerfall von Liquid Jets. Mariotte ging
Membran verhält. Weiter bemerkten sie, dass der Tropfen eine zylindrische Form bekommt, dessen Radius sich verjüngt bis es zur Abtrennung des Tropfens kommt.
Abbildung 2: oben: Jet Zerfall. Aufnahme von Savart [10].
Abbildung 3: links: Jet Zerfall. Aufnahme von Lord Rayleigh [11].
Zu Beginn des 19. Jahrhunderts machte Savart experimentellen Fortschritt bei der Erforschung des Jetzerfalls. Er beschrieb, dass der Zerfall des Jets spontan auftritt und unabhängig von externen Kräften oder der Ausrichtung des Jets. Um die Betrachtung von Jets zu verbessern, entwickelte Savart eine stroboskopische Technik, die ihm die Aufnahme von Bildern wie in Abbildung 2 ermöglichte [10].
Durch diese Abbildungen konnte er das Auftreten kleinerer Satellitentropfen zwischen zwei größeren Haupttropfen beobachten.
Im späten 19. Jahrhundert entwickelte Lord Rayleigh ein mathematisches Modell für den Zerfall von Liquid Jets. Er stellte fest, dass ein Liquid Jet instabil wird sobald die Amplitude einer Störwelle im Jet größer wird als der Umfang des Jets [12,13]. Im Zuge seiner Arbeit machte er, wie Savart, Aufnehmen vom Zerfall von Jets, siehe Abbildung 3. Durch seinen Beitrag wurden der Zerfall (Rayleigh Break Up), sowie ein Düsendesign (Rayleigh Nozzle; vgl. Abbildung 4 Links), nach ihm benannt.
Weber erweiterte 1931 Rayleighs Theorie durch Analysen von viskosen Flüssigkeiten [14]. 1975 führte die nichtlineare Analyse von Lafrance zu einem besseren Verständnis des Entstehens von Satellitentropfen zwischen den Haupttropfen. Er führte die Satellitentropfen zurück auf nichtlineare Phänomene, die auftauchen, wenn der Störungsradius auf die Größe des Jetradius angewachsen ist.
Weiterhin zeigte er, dass die Schwankungen der Störungswelle zu einer Variation der Tropfengröße führen [15].
Faubel untersuchte in den 1990ern mit seinen Mitarbeitern Jets aus Wasser [16,17] und organischen Lösungen [18] mit Hilfe von Rayleigh Düsen im Vakuum. Sie beobachteten einen stabilen laminaren Fluss bei einem Durchmesser der Düsenöffnung vonͷɊ bisʹͲɊ. Weiter konnten sie polydisperse Größenverteilung von Tropfen bei spontanem Rayleigh Zerfall beobachten.
In den späten 1990ern entwickelte Gañán Calvo ein neues Düsendesign, mit dem sehr kleine Jetdurchmesser erreicht werden konnten. Das neue Design besteht aus einem Glasschlauch, durch den die Probenflüssigkeit geleitet wird, ummantelt von einer Glaskapillare, die von einem Gas
durchflossen wird, siehe Abbildung 4 Rechts und Abbildung 9. Das Gas fokussiert den Liquid Jet, wodurch kleinere Jetdurchmesser erreicht werden konnten. Gañán Calvo konnten zunächst Jets mit Durchmessern von etwaͳͲ െ ʹͲͲɊ messen [19], wobei der Durchmesser abhängig von der Dichte und Viskosität der Flüssigkeit ist, sowie vom Gasdruck und der Flussrate der Flüssigkeit. Das Düsendesign wird Gas Dynamic Virtual Nozzle (GDVN) genannt. Heutzutage können Jets mit einem Durchmesser von unterͳɊ erzeugt werden [21].
Abbildung 4:Links: Schematische Darstellung Rechts: Schematische Darstellung einer
einer Rayleigh Düse [21]. GDVN [21].
Diese Arbeit ist in der Forschungsgruppe Coherent X Ray Scattering (FS CXS) [22] am Deutschen Elektron Synchrotron (DESY) in Hamburg entstanden. Der Forschungsschwerpunkt, der Anwendung von Liquid Jets, liegt auf Röntgenstreu Experimenten. Einerseits werden die Jets für Rheologie Experimente benötigt, d.h. die Orientierung von Teilchen im Jet wird untersucht. So wurden vor kurzem Resultate veröffentlicht, in dem scherinduzierte Strukturbildung in einer kolloidalen Flüssigkeit über und entlang eines Jets untersucht wurde [23]. Andererseits werden Tropfen im Vakuum verwendet für Messungen unterkühlter Flüssigkeiten und deren Kristallisation.
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Charakterisierung von GDVN und piezogesteuerten Rayleigh Düsen. Im folgenden Kapitel werden einige Einspritzsysteme vorgestellt. Dabei werden GDVN und piezogesteuerte Düsen nur kurz angeschnitten, da ihre Funktionsweise später genauer beschrieben wird.
1.1 Systeme zum Erzeugen von dünnen Flüssigkeitsjets und ʹ filmen
In diesem Kapitel werden einige Systeme vorgestellt, mit denen dünne Flüssigkeitsschichten bzw. Jets erzeugt werden können.
1.1.1 Liquid Film Tunnel
Beim Liquid Film Tunnel wird ein dünner Flüssigkeitsfilm zwischen zwei Drähten aufgespannt, wie in Abbildung 5 dargestellt. Über ein Reservoir wird der Film weiterhin mit Probenflüssigkeit versorgt. Die Filmdicke݂௧ hängt von der Oberflächenspannung ab.
Jedoch lässt sich die Filmdicke modifizieren, z.B. durch die Zugabe von Natriumlaurysulfat (Sodium dodecyl sulfateܰܽܥଵଶܪଶହܱܵସ).
So können minimal Filmdicken von bis zu ݂௧ ൎ ͷߤ݉ erreicht
werden [24]. Abbildung 5: Versuchsaufbau
liquid film tunnel [21].
1.1.2 Electrospinning
Beim Electrospinning wird die Entstehung von kleinsten Polymerfasern über ein elektrisches Feld gesteuert. Eine elektrisch geladene Polymerlösung wird über eine Kapillare in ein elektrisches Feld gebracht. Die Ladungen an der freien Oberfläche der Lösung reagiert auf das externe elektrische Feld, mit dem Resultat, dass ein Jet der Polymerlösung entsteht und beschleunigt wird. Die entstehenden Fasern können einen Durchmesser vonͳͲ݊݉ െ ͳͲɊ݉ haben. Die Geometrie ist vergleichbar mit der von der GDVN [25].
1.1.3 Supersonic Jets
Supersonic Liquid Mikrojets entstehen durch schockartige Expansion eines kleinen Teils von Probenflüssigkeit in der Düse. Dafür wird ein Laser auf die Düse gerichtet, der einen Teil der Probenflüssigkeit schockartig verdampft und diese somit expandiert. Durch die Expansion wird die restliche Probenflüssigkeit aus der Düse herausgedrückt. Die so entstehenden Jets werden auf maximal Geschwindigkeiten von bis zuݒ௧ ൌ ͺͷͲ௦ beschleunigt [26] (vgl. Abbildung 6) und können minimal einen Durchmesser von etwa݀௧ ൌ ͳͲߤ݉ erreichen [27].
Abbildung 6: Supersonic Jet [26].
1.1.4 Gas Dynamic Virtual Nozzle in verschiedenen Bauformen
Die Standardform der GDVN besteht aus einem Quarzschlauch, durch die eine Probenflüssigkeit fließt. Dieser Quarzschlauch befindet sich in einer Glaskapillare, die sich zum Ende hin verjüngt.
Innerhalb dieser Glaskapillare strömt ein Gas zum Fokussieren des Liquid Jets. Glaskapillare und Quarzschlauch schließen bündig miteinander ab(vgl. Abbildung 7).
Fließt nun eine Probenflüssigkeit durch den Quarzschlauch, formt sich ein Meniskus an der Öffnung der GDVN, der so weit gestreckt wird und sich verjüngt, bis sich ein Jet ausbildet. Dieser Prozess wird durch den Gasstrom angetrieben [28].
Eine detailliertere Beschreibung der Herstellung der Standartform von GDVN erfolgt zu Beginn des Kapitels Gas Dynamic Virtual Nozzle.
An der Arizona State University werden Glaskapillaren mit einem quadratischem Innenprofil verwendet. Schmilzt man diese an der Spitze, entsteht eine Pyramidenform, siehe Abbildung 8. Diese
innere Form dient einer besseren Zentrierung des Quarzschlauches Abbildung 7: Spitze einer GDVN.
mit der Öffnung der Kapillare.
Außerdem ermöglicht es ein besseres Umströmen des Gases um den Quarzschlauch [29].
Für eine bessere Zentrierung der inneren Probenleitung, wie in Abbildung 9, werden Distanzhalter aus Kapton (vgl. Abbildung 12) verwendet [30, 31], die auch als Stabilisierung für den
Abbildung 9: Links: GDVN mit Abstandshalter aus Kapton[30].
Abbildung 10: Rechts: Abstandshalter aus Kapton[31].
Lithographische GDVN
Neben der Standardglasform werden GDVN auch mit lithographischen Verfahren hergestellt. Im folgendem werden zwei Formen vorgestellt, zum einen Düsen aus PDMS und zum anderen Düsen die mit einem 3 D Drucker gedruckt wurden.
Abbildung 11: Oben: Produktion von Lithographischen Düsen [32].
Rechts: Foto Maske, überbleibende Strukturen, Abbildungen von oberer und unterer Hälfte der Düsen [32].
Für die lithographische Herstellung von GDVNs wird ein Fotolack (SU 8) gleichmäßig mittels Spin Coating auf einen Si Wafer aufgebracht. Anschließend wird eine Maske auf die Fotolackschicht gelegt und mit UV Licht belichtet. SU 8 ist ein Negativlack, d.h. nach der Belichtung bleiben die belichteten Bereiche stehen. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die gewünschte Struktur auf dem Wafer zurückbleibt. Für die
Oberseite der Düse werden drei Lackschichten benötigt, die
Abbildung 12: Lithographische Düse. mit den Masken A, B und C hergestellt werden, siehe
Blau Gas Kanal, Gelb Proben Kanal. Abbildung 11. Für die Unterseite werden hingegen nur zwei Schichten des Lackes benötigt mit den Masken B und C. Die zurückgebliebenen Strukturen bilden einen Negativabdruck; den Master für die lithographischen
Düsen. Auf den Master wird eine gleichmäßige Schicht PDMS (Polydimethylsiloxane) aufgetragen.
Zum Aushärten wird der Wafer für 1 2 Stunden bei 80°C in einen Ofen gestellt. Nachdem das PDMS ausgehärtet ist, wird es vorsichtig vom Master getrennt. Da man meistens mehrere Düsen auf einem Wafer erstellen kann, müssen die Bestandteile voneinander getrennt werden, indem man sie mit einer Klinge zerschneidet. Die fertigen Düsen bestehen aus zwei Teilen, die nun mittels Plasmaaktivierung verbunden werden.
Vorteil dieser Düsen ist zum einen eine hohe Reproduzierbarkeit durch mehrfaches Verwenden des Masters. Zum anderen ist eine Kontrolle über die Strukturen im
Mikrometerbereich möglich. Als Resultat der präzisen Kontrolle über die Struktur, ist der Probenzulauf exakt zentriert mit der Düsenöffnung, wodurch ein gerader Jet ausgestoßen wird [32].
Mit Hilfe eines 3 D Druckers lassen sich Düsenköpfe drucken. Die GDVN diente als Vorlage für den CAD Entwurf (vgl.
Abbildung 13). Die Düsen werden so klein wie möglich modelliert, wobei darauf zu achten ist, dass die Außenwände dem Druck der Probenflüssigkeit und dem Druck des Gases standhalten. Die gedruckten
Düsenköpfe werden danach mit einer Abbildung 13: Links: Düsenkopf im Verhältnis zu einer Dime
äußeren Kapillare und einer Quarz Münzeୈ୧୫ୣൌ ͳǡͻͳ [30].
schlauch verbunden [30]. Rechtsoben: CAD Modell des Düsenkopfes [30].
Rechtsunten: Schematische Darstellung der Düse [30].
Der Drucker ist ein 3D Laserlithographie System. Für die Fertigung der Düsen wird ein flüssiger Fotolack (IP S) von einem Laser in dünnen Schichten ausgehärtet. Dieser Vorgang geschieht in einem Bad, das mit dem Fotolack gefüllt ist. Nachjeder belichteten Schicht wird dasBauteil weiter ins Bad abgelassen und die nächste Schicht wird belichtet.
Der Laserfokus sowie die Laserleistung bestimmen hauptsächlich die Auflösung des Verfahrens (Voxelgröße). Voxel im Submikrometerbereich lassen sich erreichen durch die Verwendung von fokussierenden Optiken mit geringer numerischer Apertur [33].
beispielsweise wichtig ist bei der Untersuchung von biologischen Makromolekülen die meist nicht in großen Mengen hergestellt werden können [34,35]. Außerdem können Reaktionen zwischen den zwei Flüssigkeiten entlang des Jets untersucht werden [34,35].
Abbildung 14: Darstellung einer double flow focusing nozzle [34]. a Glaskapillare, b äußerer Quarzschlauch, c innerer Quarzschlauch, d Meniskus des äußeren Jets, e Meniskus des inneren Jets, f Jet.
Der äußere Flüssigkeitsquarzschlauch besteht aus Silica und hat ein quadratisches Innenprofil mit einer Breite vonͳͲͲߤ݉. Der innerste Quarzschlauch hat einen Innendurchmesser vonͶͲߤ݉ und einen Außendurchmesser vonͳͲͷߤ݉. Der äußere Quarzschlauch wird im Inneren mit Flusssäure geätzt, bis der innere Quarzschlauch hineinpasst. Die beiden Quarzschläuche werden dann ineinander geschoben, wobei die innere Kapillare durch die quadratische Form der äußeren Kapillare zentriert wird. Das äußerste Düsenteil ist eine Glaskapillare mit einem Innendurchmesser vonͷͲͲߤ݉. Ein Ende dieser Kapillare wird geschmolzen um die Düsenöffnung mit einem Durchmesser vonͲߤ݉ zu formen. Die Quarzschläuche werden mit zwei Distanzhaltern aus Kapton in der Glaskapillare zentriert [34,35].
Abbildung 15: Schematische Darstellung einer double flow focusing nozzle [31].
1.1.5 Piezogesteuerte Düsen
Piezogesteuerte Düsen sind Rayleigh Düsen oder GDVN, die mit einem Piezoelement verbunden sind, wie in Abbildung 16 Links gezeigt, bzw. aus einer piezoelektrischen Keramik (z.B. PZT 5H) bestehen [36]. Durch das Anlegen einer Spannung an die Elektroden des piezoelektrischen Materials wird eine Schockwelle in die Düse geleitet, durch die ein Tropfen aus der Düsenöffnung gedrückt wird. Durch
die Wahl eines geeigneten Spannungssignals verlassen gleichgroße Tropfen die Düse in einer gewissen Frequenz. Eine genauere Beschreibung der Arbeitsweise der in dieser Arbeit verwendeten piezogesteuerten Düse folgt in Kapitel 3.1.
Abbildung 16: Oben: Auslösen eines Tropfens aus einer Piezogesteuerten Düse [37]
Links: Piezogesteuerte Düse [38].
1.2 Einführung in die Physik von Liquid Jets
In diesem Kapitel wird der Zerfall eines Jets in Tropfen betrachtet. Dabei bildet der Jet eine typische Geometrie, wie in der Abbildung 17 dargestellt. Die Streckeܮ ist der Abstand von der Düse über dem intakten Jet bis zum Zerfallspunkt.ܮ wird ĚĂŚĞƌ ĂƵĐŚ ͣliquid intact length͞ oder Breakup Länge genannt. Durch das Ablösen von Tropfen kommt es zu Schwankungen vonܮ, im Mittel istܮ jedoch konstant. Die InteraktionslängeȦ beschreibt den Bereich des Jets, in dem die Tropfen gebildet werden. D.h. der Jetdurchmesser
verringert sich und an seiner Spitze bildet sich ein Tropfen.
Daraus folgt, dass ein Liquid Jet nur gebildet werden kann, wenn giltܮ Ȧ. Um einen Liquid Jet zu formieren, sollte die Breakup Länge maximiert und die Interaktionslänge minimiert werden. Sollte diese Bedingung
Abbildung 18: Dipping Regime (Düse T22).
Die Breakup Länge und die Interaktionslänge hängen von der Flussstabilität ab, die sich durch zwei dimensionslose Parameter beschreiben lässt. Der eine Parameter ist die Reynolds Zahl:
ܴ݁ ൌఘή௩ήௗఎ , (1)
woߩ die Dichte der Flüssigkeit,ݒ die Geschwindigkeit,ߟ die Viskosität ist und݀ der Jetdurchmesser ist. Die Reynolds Zahl beschreibt das Flussverhalten des Liquid Jets, d.h. ein Jet verhält sich bis zu einer kritischen Reynolds Zahlܴ݁௧ laminar. Ab diesem kritischen Wert ୩୰୧୲ können kleinere Turbulenzen im Jet auftreten. Dieser kritische Wert beträgt für einen zylindrischen Strahl Wasser୩୰୧୲ൌ ʹͲͶͲ [21]. Steigt die Reynolds Zahl weiter ୩୰୧୲ ist damit zu rechnen, dass der laminare Jet zu einem turbulenten wird.
Der andere Parameter ist die Weber Zahl:
ܹ݁ ൌఘή௩ఙమήௗ, (2)
wobeiߪ die Oberflächenspannung der Flüssigkeit ist. Die Weber Zahl beschreibt das Verhältnis zwischen einer deformierenden Trägheitskraft und einer stabilisierenden kohäsiven Kraft der Flüssigkeit. Das bedeutet, dass ein Liquid Jet für hohe Weber Zahlen stabiler und für niedrige instabiler wird. (Da ein Liquid Jet nach einer gewissen Strecke immer in Tropfen zerfällt, gilt er generell als instabil.)
ʹͲߤ݉
In Abbildung 19 ist ein We Re Diagramm dargestellt. Die rote Linie stellt den Stabilitätsübergang für Düsen, nach Leib et al. dar [39].Die blaue Kurve ist die Stabilitätskurve für Jets aus GDVN.
Abbildung 19: We Re Diagramm. Rote Kurve ist der Stabilitätsübergang nach Leib und die blaue Kurve ist die Stabilitätsvorhersage für Jets von GDVN [28].
Ursache für den Zerfall eines Liquid Jets sind Instabilitäten im Jet. Diese Instabilitäten lassen sich in gewissem Maße steuern, beispielsweise durch die Jetgeschwindigkeit, die Oberflächenspannung oder die aerodynamischen Kraft, die auf den Jet wirkt. Durch die Variation von Jetparametern lassen sich fünf Arten von Zerfällen beobachten: Dipping Regime, Rayleigh Regime, erstes Wind Induzierte Regime, zweites Wind Induzierte Regime und das Zerstäubungsregime, vgl. Abbildung 20.
Im Dipping Regime verlassen nur einzelne Tropfen die Düse. Es entsteht kein kontinuierlicher Liquid Jet, siehe Abbildung 18.
Im Rayleigh Regime bildet sich ein Liquid Jet aus, der in Tropfen Zerfällt. Die Tropfen haben einen Durchmesser der etwa 1,89 mal größer ist als der Jetdurchmesser.
Das erste Wind Induzierten Regime zeichnet sich durch ein vermehrtes Entstehen von wesentlich mehr Satellitentropfen zwischen den Haupttropfen aus. Die Tropfengröße ist in der Größenordnung des Jetdurchmessers. Durch die relative Bewegung des Jets zum umgebenden Gas vergrößert sich die Oberflächenspannung des Jets. Dies führt zu einer statistischen Druckverteilung über den Jet, die den Zerfall beschleunigt.
Im zweiten Wind Induzierten Regime sind die Störungen im Jet so groß, dass der Jet chaotische
Abbildung 20: Schematische Darstellung der Regimes von Liquid Jets [41].
Im Folgenden wird der Jet im Rayleigh Regime betrachtet und beschrieben.
Die lineare Stabilitätstheorie nimmt an, dass der Zerfallsmechanismus durch Instabilitäten im Jet verursacht wird. Wobei sich diese Instabilitäten als Welle darstellen lassen.
ܣሺݔǡ ݐሻ ൌ ܣή ሺ߱ݐ ݅݇ݔሻ (3) mit Verwendung von Zylindrischen Koordinatenሺǡ Ʌǡ ሻ und dem Ursprung auf der Düsenöffnung ൌ Ͳǡ ൌ Ͳ. Ʉ ist die Anfangsamplitude und die Wellenzahl der Störung. In der linearen Stabilitätstheorie wird weiter angenommen, dass die Frequenzɘ komplex ist und der Realteilɘୖ die zeitliche Wachstumsrate der Störung ist. Mit Hilfe der Navier Stokes Gleichungen lässt sich eine Dispersionsrelation aufstellen, deren Lösung die Wachstumsrateɘୖ bei gegebener Wellenzahl angibt. Plottet manɘୖ gegen ist zu erkennen, dass die Kurve der Wachstumsrate ein Maximum erreicht (vgl. Abbildung 21). Dieses
Maximum wird erreicht, wenn die Amplitude der Störung gleich dem Radius des Jets ist. Dies führt zum Ablösen eines Tropfens vom Jet. Mit୫ୟ୶ lässt sich die Wellenlänge der Störung bestimmen zuȦ ൌଶ୩
, die der Interaktionslänge entspricht [41].
Vergleicht man das zylindrische Volumen des Jets über die LängeȦ mit dem gleichen Volumen einer Kugel, kann man folgende Aussage über die Tropfengröße treffen [42]:
்݀ൌ ͳǡͺͻ ή ݀௧ (4)
Abbildung 21: Die zeitliche Ausbreitung aufgetragen gegen die Wellenzahl [43].
Im Allgemeinen wird die Geschwindigkeit im Jet durch eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung beschrieben. In der Praxis wird die Flüssigkeit in der Düse durch Reibung an den Wänden abgebremst, wie in Abbildung 22 gezeigt. Dadurch entsteht ein Geschwindigkeitsmaximum entlang der Düsenachse. Sobald die Flüssigkeit die Düse verlassen hat, entspannt sich die Geschwindigkeitsverteilung und erreicht eine gleichmäßige Verteilung nach einiger Entfernung Jetabwärts von der Düsenöffnung [23, 43,44].
Abbildung 22:
Geschwindigkeitsverteilung entlang eines Jets [44].
2. Gas Dynamic Virtual Nozzle (GDVN)
2.1 Aufbau einer GDVN
Im Rahmen dieser Arbeit wurden GDVN hergestellt und charakterisiert. Die produzierten GDVN bestehen aus einer äußeren Glaskapillare aus Borosilikatglas und zwei Quarzschläuchen, eine für das Fokussiergas Helium, die andere für die Probenflüssigkeit, hier Wasser. Der letzte Bestandteil ist eine Metallhülse. Die Glaskapillare hat einen Innendurchmesser von୧ൌ ͷͲɊ, einen Außendurchmesser vonୟൌ ͳ und eine Länge von ൌ ͵ െ ͷ . Der Quarzschlauch für die Probenflüssigkeit hat einen Innendurchmesser von୧ൌ ͳͲ െ ͳͲͲɊ und einen Außendurchmesser vonୟൌ ͳͶͺ െ ͵ͷɊ. Der Quarzschlauch für das Gas hat einen Innendurchmesser von୧ ൌ ͳͲͲɊ und einen Außendurchmesser vonୟൌ ͵ͷɊ. Die Metallhülse hat einen Innendurchmesser von୧ൌ ͳǡͳͺ, einen Außendurchmesser vonୟൌ ͳǡͷͺ und einer Länge von ൌ ͷͲ.
Zunächst wird die GlaskapilůĂƌĞͣĨlammenpoliert͞ (flame polished) um die Düsenöffnung zu formen, siehe Abbildung 23. Dabei wird die Glaskapillare in einen Motor eingespannt, der die Kapillare rotiert. Unter der Kapillare ist ein Brenner, der eine Flamme aus einem Gasgemisch aus 65% Butan und 35% Propan erzeugt. Die Glaskapillare wird an die Flamme gebracht und beginnt zu schmelzen.
Durch die Rotation verjüngt sich die Öffnung und es entsteht ein Kanal.
Abbildung 23: Links: Glaskapillare unbearbeitet. Rechts: Glaskapillare nach flame polishing.
Der Quarzschlauch für die Probenflüssigkeit wird auf einer Schleifmaschine mit zwei verschiedenen Winkeln angeschliffen. Zunächst wird die Spitze des Schlauches mit einem Winkel von etwa 14°
versehen. Dann wird nur die vorderste Spitze des Schlauches geschliffen, mit einem Winkel von etwa 54°. Damit der Materialabtrag um den Quarzschlauch herum gleich ist, rotiert der Quarzschlauch um seine eigene Achse.
Der Quarzschlauch sollte nun in etwa bündig an der Düsenöffnung in die Glaskapillare passen. D.h.
der Kanal in der Kapillare darf nicht größer sein als der Außendurchmesser des Quarzschlauches (ୋ୪ୟୱ୩ୟ୬ୟ୪ ൏ ͳͷͲɊ, für Quarzschläuche mit einem Innendurchmesser von୧ൌ ͳͲ െ ͷͲɊ). Da die Teile in Handarbeit gefertigt werden, muss überprüft werden, welche Paare von Glaskapillare und Quarzschlauch zusammenpassen.
Anschließend, wird zunächst die Metallhülse mit der Glaskapillare verklebt. Dies geschieht mittels Epoxidharzkleber, der 12 Stunden aushärten muss. Ist der Kleber ausgehärtet, wird der Probenquarzschlauch eingesetzt. Der Quarzschlauch für das Fokussiergas wird ebenfalls in die Glaskapillare eingeführt. Dabei ist zu beachten, dass der Quarzschlauch nicht zu weit in die Düse
geschoben wird um ein gleichmäßigen Gasstrom an der Düsenöffnung zu gewährleisten. Im Anschluss werden die Quarzschläuche mit der Metallhülse verklebt. Eine Fertige GDVN wird in Abbildung 24 gezeigt.
Abbildung 24: Zusammengebaute GDVN.
2.2 Testkammeraufbau
Der Versuchsaufbau besteht aus einer Vakuumkammer (siehe Abbildungen 25, 26), in die die Düsen mit einem ͣEĂŶŽdŝŐŚƚΡ FŝƚƚŝŶŐ͞ eingeschraubt werden. Die Kammer wird mit einer Scroll Pumpe gepumpt, dabei wird die Kammer auf einen Druck von୴ୟ୩ൌ ͲǡͲͷ [3] evakuiert. Der größere Quarzschlauch wird über einen Druckregler mit einer Heliumflasche und der Probenquarzschlauch wird mit einem Probenreservoir verbunden. Die Flussrate der Probenflüssigkeit wird über Stickstoffdruck auf das Reservoir reguliert und mit einem Durchflusssensor gemessen. Für die Beobachtung des Jets wird ein Mikroskop verwendet. Dafür ist in die Vakuumkammer ein Fenster eingelassen. Um den Jet beobachten zu können, wird eine Lichtquelle von der des Mikroskops entgegengesetzten Seite an die Kammer gebracht, in die ebenfalls ein Fenster eingelassen ist.
Abbildung 25: Versuchsaufbau Liquid Jet Testkammer.
Dieser Aufbau dient als Testkammer um die Funktionstüchtigkeit der GDVN zu überprüfen. Dafür wird die GDVN in die Kammer gebracht und mit dem Gas und der Probenflüssigkeit verbunden.
Anschließend wird die Kammer evakuiert. Während dieses Vorgangs kann es zum Einfrieren der Düsenöffnung kommen, sollte eine gewisse Restfeuchte in der Düse vorhanden sein, z.B. aus der Produktion der Düse oder durch vorherige Tests der Düse.
Das Einfrieren der Düse geschieht aus folgendem Grund:
Mit sinkendem Umgebungsdruck sinkt auch der Siedepunkt von Wasser, weil durch den geringeren Umgebungsdruck immer mehr Wasserteilchen in die Umgebung übergehen können. Da die energetisch höheren Teilchen das Wasser zuerst verlassen kühlt sich das Wasser ab. Erreicht das Wasser den Gefrierpunkt, gefriert es. Fällt der Umgebungsdruck weiter, sublimieren die Wasserteilchen aus den Eis.
Um das zu vermeiden, müssen die beiden Quarzschläuche nach dem Gebrauch mit Helium durchgepustet werden. Alternativ kann man auch warten, bis das Eis vollständig sublimiert ist und die Düse wieder frei ist. Dieser Vorgang kann allerdings längere Zeit in Anspruch nehmen.
Ist die Kammer evakuiert und die Düse nicht vereist, wird zunächst das Fokussiergas (Helium) aufgedreht bis zu einem Druck vonͳͲͲ ൌ ǡͻ. Im Anschluss wird die Stickstoffzufuhr aufgedreht. Die beiden Drücke müssen nun so eingestellt werden, dass sich ein Jet ausbildet.
Abbildung 26: Versuchsaufbau mit Druckreglern.
Durch Fehler in der Produktion der GDVN kann es dazu führen, dass ein Jet die Düse nicht gerade verlässt, sondern unter einem Winkelɔ, siehe Abbildung 27. Dieser Winkel lässt sich durch eine Druckänderung des Fokussiergases, verringern bzw. vergrößern. Im Idealfall verlässt der Jet die Düse unter einem Winkelɔ ൌ Ͳι.
Abbildung 27: Mikroskop Aufnahme einer Düse mit Innendurchmesser von ʹͲɊ (T19).
Abbildung 28: Mikroskop Aufnahme einer Düse mit Innendurchmesser von ͵ͲɊ (U3).
ߤ݉
Abbildung 29: Mikroskop Aufnahme einer Düse mit Innendurchmesser von ͷͲɊ (S4).
Auf Grund des zeitlichen Auflösungsvermögens des Mikroskops (10fps) in Kombination mit einer Dauerlichtquelle ist nur ein Wasserstrahl zu erkennen, siehe Abbildung 27 29. Daher kann hier keine Aussage getroffen werden in welchem Regime der Jet ist. Die eingestellten Werte für die Gasdrücke und die Flussgeschwindigkeit, sowie die Qualität des Jets (verläuft er gerade oder ist er abgeknickt) werden vermerkt und die Düse wird sicher in einer Petrischale verwahrt, auf der ebenfalls die wichtigsten Daten vermerkt werden.
2.3 Testkammer mit Hochgeschwindigkeitskamera
Um eine bessere zeitliche Auflösung zu erreichen wurde das Mikroskop durch eine Hochgeschwindigkeitskamera ausgetauscht. Die Lichtquelle wurde durch eine getriggerte LED ersetzt. Die folgende Abbildung (Abbildung 30) wurde aufgenommen, um den Unterschied zwischen dem Mikroskop und der Hochgeschwindigkeitskamera zu verdeutlichen. Dafür wurde je eine Aufnahme mit der Dauerlichtquelle und der getriggerten LED gemacht. Auf den Aufnahmen mit Dauerlichtquelle (Abbildung 30 A und C) wird nur ein Jet beobachtet. Mit der LED lassen sich Tropfen beobachten, siehe Abbildung 30 B und D. Die Kamera, die mit dem Mikroskop verwendet wurde nimmt auf mit einer Bildfrequenz vonͳͲ. Die Hochgeschwindigkeitskamera wurde im Gegensatz
ͻǤͻͲͲ ͳʹǤͲͲͲ
Abbildung 30: A: Mikroskop Aufnahme mit Dauerlichtquelle.
B: Mikroskop Aufnahme mit getriggerter LED.
C: Hochgeschwindigkeitskamera Aufnahme mit Dauerlichtquelle.
D: Hochgeschwindigkeitskamera Aufnahme mit getriggerter LED.
Des Weiteren wurde das Probenreservoir durch eine Spritzenpumpe (siehe Abbildung 31) ersetzt. Der Vorteil hierbei ist, dass die Flussrate über die Software der Pumpe festgelegt ist und nicht den Schwankungen des Gasdruckes unterworfen ist. Die verwendete Spritzenpumpe hat zwei verschiedene Spritzen mit einem Volumen vonܸ ൌ ͷ݉ܮ undܸ ൌ ͳͲ݉ܮ. Dieͷ݉ܮ Spritze ermöglicht einen maximalen Druck von ൌ ͳͲͲܾܽݎ und dieͳͲ݉ܮ Spritze ermöglicht einen maximalen Druck von ൌ ͷͲܾܽݎ. Durch den höheren Druck können GDVN, die mit derͳͲ݉ܮ Spritze (bei maximalem Druck) im Dipping Regime sind, mit derͷ݉ܮ Spritze ins Rayleigh Regime gebracht werden.
Abbildung 31: Einspritzpumpe. Die angeschlossene Spritze hat eine Füllmenge vonͳͲ݈݉.
2.4 Jetmessung mit Hochgeschwindigkeitskamera
Mit Hilfe der Hochgeschwindigkeitskamera ließ sich der spontane Zerfall der Liquid Jets beobachten.
Für die Charakterisierung der Liquid Jets wurden GDVN genutzt mit einem Innendurchmesser der Quarzschläuche von݀ൌ ʹͲߤ݉ǡ ʹͷߤ݉ǡ ͵Ͳߤ݉ǡ ͷͲߤ݉ undͳͲͲߤ݉. Die Vermessung der Jets erfolgte über die Software der Hochgeschwindigkeitskamera. Dafür muss zunächst die Software kalibriert werden. Für die Kalibrierung setzt man zwei Punkte, deren Abstand bekannt ist, auf dem zu untersuchendem Bild/Video. Mit Hilfe der Eingabe der Distanz zwischen den beiden Punkten berechnet die Software die Länge eines Pixels.
Für Abstandsmessungen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten. Entweder misst man bezogen auf einen vorher festgelegten Koordinatenursprung oder man misst die Strecke zwischen zwei Messpunkten. Mit diesen Einstellungen lassen sich ebenfalls Winkel bestimmen, bezogen zur horizontalen Achse, ausgehend vom ersten gesetzten Messpunkt.
Hat man ein Video mit der Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen, so lässt sich damit die Geschwindigkeit der Tropfen bestimmen. Um die Geschwindigkeit eines Tropfens zu bestimmen, wird das Video gestoppt und ein Tropfen herausgesucht, der beobachtet werden soll. Die Position des zu beobachtenden Tropfens wird mit einem Messpunkt markiert und über beliebig viele Frames beobachtet. Anschließend wird die neue Position des Tropfens mit einem weiteren Messpunkt versehen. Die Hochgeschwindigkeitskamera nimmt mit einer gewissen Frequenz݂ுௌ die Bilder für das Video auf. Über die Frequenz bzw. Periodendauer und die zurückgelegte Strecke lässt sich die Geschwindigkeit der Tropfen bestimmen:
ݒ ൌכ்௦
ಹೄ, (5)
wobeiݏ die zurückgelegte Strecke ist,ܽ die Anzahl der Frames undܶுௌ die Periodendauer der aufgenommenen Bilder.
Als Beispiel wurden drei GDVN mit verschiedenen Innendurchmessern ausgewählt und vermessen.
Abbildung 32: Rayleigh Regime einer Düse mit einem Innendurchmesser des Quarzschlauchs vonʹͲɊ(T20).
Tabelle1: Messergebnisse von Düse T20.
ୣ୲ሾɊሿ ୣ୲ሾɊሿ ୈ୰୭୮୪ୣ୲ሾɊሿ ୈ୰୭୮୪ୣ୲ቂ
ቃ ሾιሿ
Ɋ
൨
ୌୣ
ሾሿ
͵ǡʹ ͷǡ ͳʹǡʹ ͷǡ͵͵ ʹͳǡʹ ͳͷ 10,54
Die Düse aus Abbildung 32 erzeugt einen Jet mit einer Länge vonୣ୲ൌ ͵ǡʹɊ und einen Durchmesser vonͷǡɊ, mit einer Flussrate von ൌ ͳͷ୫୧୬ஜ୪ und einem Heliumdruck vonୌୣൌ ͳͲǡͷͶ. Der Durchmesser der Tropfen beträgt im DurchschnittͳʹǡʹɊ. Es wird ein Ablesefehler vonͳ ൌ ͳǡͳɊ angenommen.
Abbildung 33: Rayleigh Regime einer Düse mit einem Innendurchmesser des Quarzschlauchs von͵ͲɊ(U3).
Tabelle2: Messergebnisse von Düse U3.
ୣ୲ሾɊሿ ୣ୲ሾɊሿ ୈ୰୭୮୪ୣ୲ሾɊሿ ୈ୰୭୮୪ୣ୲ቂ
ቃ ሾιሿ
Ɋ
൨
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ሾሿ
ͺʹǡͳ ͷǡͺ ͺǡ͵ ǡ ͵ǡ͵ ͳͲ ͳ͵ǡͻ
Die Düse aus Abbildung 33 erzeugt einen Jet mit einer Länge vonୣ୲ൌ ͺʹǡͳɊ und einen Durchmesser vonͷǡͺɊ, mit einer Flussrate von ൌ ͳͲ୫୧୬ஜ୪ und einem Heliumdruck vonୌୣൌ ͳ͵ǡͻ. Der Durchmesser der Tropfen beträgt im Durchschnittͺǡ͵Ɋ. Es wird ein Ablesefehler vonͳ ൌ ͳǡɊ angenommen.
Abbildung 34: Rayleigh Regime einer Düse mit einem Innendurchmesser des Quarzschlauchs vonͷͲɊ(S4).
Tabelle3: Messergebnisse von Düse S4.
ୣ୲ሾɊሿ ୣ୲ሾɊሿ ୈ୰୭୮୪ୣ୲ሾɊሿ ୈ୰୭୮୪ୣ୲ቂ
ቃ ሾιሿ
Ɋ
൨
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ሾሿ
ʹͺͻǡͺ ͳͲǡͶ ͳͷǡͷ ʹʹǡͲ ͳǡ ͳͲ ͳǡͷ
Die Düse aus Abbildung 34 erzeugt einen Jet mit einer Länge vonୣ୲ൌ ʹͺͻǡͺɊ und einen Durchmesser vonͳͲǡͶɊ, mit einer Flussrate von ൌ ͳͲ୫୧୬ஜ୪ und einem Heliumdruck vonୌୣ ൌ ͳǡͷ. Der Durchmesser der Tropfen beträgt im DurchschnittʹʹǡͲɊ. Es wird ein Ablesefehler vonͳ ൌ ͳǡɊ angenommen.
Mit den Informationen über Jetdurchmesser und Jetgeschwindigkeiten lassen sich Reynolds Zahl und Weber Zahl bestimmen. Für Wasser bei einer Temperatur von ൌ ʹͲι ist die Dichte gegeben alsɏ ൌ ͳୡ୫య, und die Viskosität alsɄ ൌ ͲǡͲͲͳ. Als Beispielrechnung wurde die Düse U3 verwendet (vgl. Abbildung 32 und Tabelle 2). Es ergibt eine Reynolds Zahl von ൌ ͶͶǡͷ. Mit der Oberflächenspannung von Wasserɐ ൌ ʹǡͷ ڄ ͳͲିଷ ୫ erhält man eine Weber Zahl von ൌ Ͷǡͺ. Mit diesen Werten wird ein stabiler Jet generiert, siehe Abbildung 19.
Im Anhang sind die Messwerte für alle untersuchten Düsen tabellarisch aufgeführt. Betrachtet man den Jetdurchmesser in Beziehung zur Jetlänge, lässt sich ein linearer Zusammenhang beobachten, siehe Abbildung 35. Der beobachtete Zusammenhang lässt sich durch das von Eroglu gefundene Verhältnis von Jetlänge zu Jetdurchmesser belegen, ܮ ן ݎ௧ [45].
Abbildung 35: Jetdurchmesser aufgetragen gegen die Jetlänge.
Durch die Produktion der Düsen wurde bereits ein Fehler in die Düsen eingebracht, siehe Diskussion, die man in dem Diagramm sehen kann an der Abweichung der Messwerte von der Regressionsgerade. In der Diskussion wird näher auf die Probleme in der Herstellung von GDVN eingegangen.
Im folgenden Diagramm (Abbildung 36) ist die durchschnittliche Jetlänge einer Düsengröße gegen die Düsengröße aufgetragen, mit der Standardabweichung der Messwerte als Fehlerbalken.
y = 0,04x + 2,78 0,0 100,0 200,0 300,0 400,0 500,0 600,0 0,0
5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0
Jetlänge [ m]
Jetdurchmesser [m]
400,0 500,0 600,0 700,0
[m]
Es lässt sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem Jetlänge und der Düsengröße beobachten.
Betrachtet man den Tropfendurchmesser im Verhältnis zum Jetdurchmesser (siehe Abbildung 37) lässt sich die Gleichung der Regressionsgerade mit der Gleichung 4 vergleichen.
Abbildung 37: Tropfendurchmesser aufgetragen gegen den Jetdurchmesser.
Aus der Theorie lässt sich der Zusammenhang zwischen den Tropfen und den Jetdurchmesser von்݀ൌ ͳǡͺͻ ڄ ݀௧ (für Rayleigh Düsen) entnehmen. Der aus der Regressionsgeraden ermittelte Wert für das Verhältnis der Durchmesser beträgtௗೝௗ
ൌ ͳǡͺͳ േ ͲǡͲͶ. Somit lässt sich feststellen, dass das Tropfenverhältnis für Rayleigh Düsen und GDVN gut übereinstimmt.
y = 1,81x
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0
Jetdurchmesser [ m]
Tropfendurchmesser [m]
3. Piezogesteuerte Düse
3.1 Funktionsweise einer piezogesteuerten Düse
Abbildung 38: Schematische Darstellung der piezogesteuerten Düse [38].
Die piezogesteuerte Düse ist eine Rayleigh Düse, die mittels Epoxidharz mit einem ringförmigen piezoelektrischen Element verbunden ist, siehe Abbildung 38. Der piezoelektrische Ring hat auf seiner Innen und Außenseite jeweils eine Elektrode. Die Elektrode auf der Innenseite überlappt auf die Außenseite für eine bessere elektrische Verbindung. Über eine mitgelieferte Software JetServer lässt sich ein Signal einstellen, das an den
Taktgeber (Jet Driver, Drive electronics) gesendet wird (vgl. Abbildung 40). Der Taktgeber sendet im selben Moment ein Signal zum Piezoelement und zur LED, um die generierten Tropfen zu visualisieren. Dadurch, dass die LED immer zur selben Zeit einen Lichtpuls sendet, lässt sich ein Tropfen immer zur selben Zeit nach dem Aussenden des Pulses an den Piezokristall beobachte, so dass ĚĞƌ ŝŶĚƌƵĐŬ ĞŝŶĞƐ ͣ&ƌĞĞnjĞ Frame͞ ĞŶƚƐƚĞŚƚ͘Über die Software lässt sich ein Delay zum Auslösen der LED einstellen. Dadurch
lässt sich der Tropfen zeitlich verfolgen. Abbildung 39: Spitze der piezogesteuerten Düse.
Abbildung 40:Links: Schematischer Aufbau der piezogesteuerten Düse[38]. Rechts: Vergrößerte Ansicht der Düse[38].
Als einfaches Beispiel wird im Folgenden eine Trapezspannung auf das Piezoelement gegeben, siehe Abbildung 41. Dabei wird eine Elektrode geerdet und an der anderen Elektrode eine Spannungsdifferenz aufgebaut. Durch die angelegte Spannungsdifferenz verformt sich das Piezomaterial nach den piezoelektrischen Effekt. D.h. je nach Polarität der Elektroden expandiert das Piezomaterial radial und kontrahiert axial beziehungsweise kontrahiert radial und
expandiert axial. Abbildung 41: Bsp. Signal für die
Generierung von Tropfen [38].
Wird die äußere Elektrode geerdet, vergrößert sich der Umfang des Piezoelements während des Ansteigens der Spannungݐ௦. Da die Düse mit dem Piezoring mittels Epoxidharz verbunden ist, wird diese Umfangsänderung auf die Düse und somit auf die Flüssigkeit übertragen. In der Flüssigkeit pflanzt sich diese Umfangsänderung in Form einer Welle mit Schallgeschwindigkeit fort. Die Welle bewegt sich zum einen in Richtung der Düsenöffnung, wo sie die Flüssigkeit in die Düse zieht und zum anderen zum Reservoir Ende, wo die Welle reflektiert wird und eine Phasenumkehr erfährt.
Trifft diese Welle auf die Öffnung der Düse wird ein Tropfen ausgestoßen. Durch Abstimmen vonݐௗ௪ können sich die reflektierte und die neu entstehende Welle durchݐ, konstruktiv überlagern und größere Tropfen entstehen.
Die folgende Bilderreihe, Abbildung 42, zeigt die Entstehung eines Tropfens. Auf dem ersten Bild ist der Gleichgewichtszustand zu sehen. Auf dem zweiten wird die Flüssigkeit durch das Eintreffen der ersten Welle in die Düse gezogen. Das nächste Bild zeigt das Austreten der Flüssigkeit durch das Eintreffen der überlagerten Wellen (reflektierte und neu ausgesendete, durch den Spannungsabfall).
Auf den Bildern vier und fünf sieht man das Eintreffen der zweiten reflektierten Welle, wodurch die Flüssigkeit zurück in die Düse gezogen wird und im Bild sechs kommt es zur Abtrennung des Tropfens. Auf dem letzten Bild ist der Tropfen zu sehen, der durch seine Oberflächenspannung eine sphärische Form bekommen hat.
A
In Abbildung 43 ist im Rahmen der Arbeit die Entstehung eines Tropfens aufgenommen worden. Hier lässt sich auf Bild 9 und 10 ein Satellitentropfen beobachten, der sich wieder mit dem Haupttropfen vereint.
Abbildung 42: Generierung eines Tropfens [38]
In der Steuersoftware werden die Einstellungen für das Signal vorgenommen, welches zum Piezoring gesendet wird. Im Programm sind drei Signalformen vorgegeben, aus denen man wählen kann, vgl.
Abbildung 44: Standard Wave, Sinewave und Multiwave.
Abbildung 44: Einstellmöglichkeiten der wählbaren Signalformen in der Software für die piezogesteuerten Düse. Links: Standard Wave. Mitte: Sinewave.
Rechts: Multiwave.
Bei der Standard Wave kann eine Rechteck /Trapezspannung als Signal ausgegeben werden. Die wählbaren Parameter sind die Anstieg und Fallzeiten, die Verweildauer auf den Plateaus, die Spannung der Plateaus und ein Offset der Spannung. Die Sinewave generiert ein sinusförmiges Signal. Hier kann man das Spannungsmaximum und ein Spannungsoffset einstellen, sowie die Periodendauer. Man kann auch die Frequenz, mit der das Piezoelement ausgelöst wird, mit der der Sinuswelle koppeln. Bei der Multiwave kann man für bis zu 12 Punkte die Spannungen, Anstiegs , Fallzeiten bzw. Verweildauern festlegen.
Über das Programm lässt sich weiterhin die Frequenz zum Auslösen des Piezorings einstellen, sowie ein Delay für die LED, siehe Abbildung 45. Das Einstellen eines Delays ist notwendig, da man sonst keinen Tropfen sieht, weil die LED immer dann auslöst,wenn die Welle in die Düse induziert wird.
mďĞƌĚĞŶ<ŶŽƉĨͣ^ǁĞĞƉ͞ŬĂŶŶŵĂŶĞŝŶen gewissen Delay Bereich abfahren, um so die Bewegung des Tropfens in einem Video zu sehen.
Abbildung 45: Einstellung des Delays für die LED und auslöse Frequenz.
3.2 Vertikaler Aufbau der piezogesteuerten Düse
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die piezogesteuerte Düse zunächst vertikal unter Atmosphärendruck aufgebaut, siehe Abbildung 46 und Abbildung 47.
Abbildung 46: Versuchsaufbau piezogesteuerte Düse, vertikal aufgehängt.
der Düse abschließt. Anschließend werden die Einstellungen für das Piezosignals in der mitgelieferten Software vorgenommen.
Über die Software der angeschlossenen Kamera wird die Größe der generierten Tropfen gemessen.
Die gemessenen Werte waren in Pixeln angegeben, die wie oben bereits beschrieben in m umgerechnet werden können, da bekannt ist, dass die Düsenöffnung einen Durchmesser von݀௭ ൌ ͵Ͳߤ݉ hat.
Im Folgenden wurden verschiedene Einstellungen des Jet Signals ausgewählt und der Durchmesser des entstandenen Tropfens gemessen, siehe Abbildung 48 und Abbildung 49.
Abbildung 48: Tropfendurchmesser Messung. (Multiwave: Anstiegszeit͵Ɋݏ, Plateauspannungͳͺܸ, Abfallzeit͵Ɋݏ).
Abbildung 49: Tropfendurchmesser Messung. (Sinewave:ܸൌ ͵Ɋݏ,ܸൌ ͳͺܸ,ܶ ൌ ͳͲͲɊݏ).
Auf den Abbildungen 48 und 49 sind nur die Extrembeispiele der Tropfengröße aufgeführt. So hatte hier der kleinste Tropfen, der generiert wurden, einen Durchmesser von்݀ൌ ʹͲǡͺߤ݉
während der größte einen Durchmesser von்݀ൌ ͵ͷǡߤ݉ aufweist. Als Fehler wird hierͳݔ ൌ ͲǡͶɊ݉ angenommen.
Die Geschwindigkeit eines Tropfens kann man aus zwei Aufnahmen bestimmen, in dem man den Tropfen mit Hilfe des Delays zu zwei verschiedenen Zeiten betrachtet und die Distanz misst. Für die beiden folgenden Geschwindigkeitsmessungen wurden die Einstellungen aus Abbildung 50 verwendet.
Abbildung 50: Piezoparameter. Links: Verwendete Einstellungen in Abbildung 51.
Rechts: Verwendete Einstellungen in Abbildung 52.
Abbildung 51: Geschwindigkeitsmessung.
Mit den Jeteinstellungen aus Abbildung 50 konnten Tropfen mit einem Durchmesser von்݀ ൌ ʹͻǡͺɊ݉ generiert. Innerhalb vonͷɊݏ hat der Tropfen eine Distanz vonͻͺǡͶɊ݉ zurückgelegt.
Daraus folgt für die Geschwindigkeit:
ݒ்ൌοௗο௧ ൌଽ଼ǡସஜହஜ௦ ൌ ͳǡ͵௦.
Als Ablesefehler wird mitͳݔ ൌ ͲǡͶɊ݉ angenommen.
Abbildung 52: Geschwindigkeitsmessung.
Mit den Jeteinstellungen aus Abbildung 50 konnten Tropfen mit einem Durchmesser von்݀ ൌ ʹͳǡ͵Ɋ݉ generiert. Innerhalb vonͷɊݏ hat der Tropfen eine Distanz von͵ǡͷɊ݉ zurückgelegt.
Daraus folgt für die Geschwindigkeit:
ݒ்ൌ͵ǡͷɊ݉
ʹͷɊݏ ൌ ʹǡͻͶ
݉ ݏ Als Ablesefehler wird mitͳݔ ൌ ͲǡͶɊ݉ angenommen.
3.3 Horizontaler Aufbau der piezogesteuerten Düse
Nachdem die Düse im vertikalem Aufbau getestet worden war, wurde sie horizontal aufgebaut (vgl.
Abbildung 53), so wie sie auch im Liquid Jet Röntgenstreuexperiment [46] positioniert wird. Es wurden verschiedene Messreihen durchgeführt, um den Einfluss der Einstellungen auf die Tropfengröße, Geschwindigkeit und mögliche Satellitenbildung zu untersuchen.
Abbildung 53: Versuchsaufbau piezogesteuerte Düse, horizontal angebracht.
Abbildung 54: Links: Tropfendurchmesser und Geschwindigkeitsmessung. Rechts: Signaleinstellungen.
Mit den Jeteinstellungen aus Abbildung 54 konnten Tropfen mit einem Durchmesser von்݀ ൌ ͳͻǡͷɊ݉ generiert werden. Innerhalb vonͲɊݏ hat der Tropfen eine Distanz vonͳͳǡɊ݉
zurückgelegt. Daraus folgt für die Geschwindigkeit:ݒ்ൌଵଵǡכஜכஜ௦ ൌ ͳǡͻͷ௦. Als Ablesefehler wird mitͳݔ ൌ ͲǡͶɊ݉ angenommen.
Abbildung 55: Links: Tropfendurchmesser und Geschwindigkeitsmessung. Rechts: Signaleinstellungen.
Mit den Jeteinstellungen aus Abbildung 55 konnten Tropfen mit einem Durchmesser von்݀ ൌ
Für ein besseres Verständnis der Software und der einstellbaren Parameter wurden Ausgangsparameter festgelegt, bei denen gleichmäßige Tropfen gebildet wurden. Die einzigen Parameter wurden daraufhin nacheinander verändert und der Durchmesser und die Geschwindigkeit der Tropfen beobachtet.
Es wurde das Standard Wave Signal (siehe Abbildung 56) untersucht und als Ausgangswerte wurden folgende Parameter festgelegt:
Tabelle 4: Ausgangswerte. Abbildung 56: Signalform Standard Wave.
ܴ݅ݏ݁ܶ݅݉݁ͳݐோଵሾɊݏሿ ͵ǡͲͲ ܦ௪ܶ݅݉݁ݐሾɊݏሿ ͳ͵ǡͲͲ
ܨ݈݈ܽܶ݅݉݁ݐிሾɊݏሿ ͵ǡͲͲ ܧ݄ܿܶ݅݉݁ݐாሾɊݏሿ ͶͲǡͲͲ
ܴ݅ݏ݁ܶ݅݉݁ʹݐோଶሾɊݏሿ ͵ǡͲͲ ܫ݈ܸ݈݀݁ݐܷܽ݃݁ூሾܸሿ ͲǡͲͲ ܦ௪ܸ݈ݐܷܽ݃݁ሾܸሿ ͳͲǡͲͲ ܧ݄ܸ݈ܿݐܷܽ݃݁ாሾܸሿ െͳͲǡͲͲ
ܦݑݎ݄ܿ݉݁ݏݏ݁ݎܦሾɊ݉ሿ ͵ͳǡͳͲ ܩ݁ݏ݄ܿݓ݅݊݀݅݃݇݁݅ݐݒ ቂ݉
ݏ ቃ Ͳǡͷͻ
Zunächst wurde schrittweise dieܴ݅ݏ݁ܶ݅݉݁ͳݐோଵ von͵Ɋݏ bis aufʹɊݏ erhöht. Zu erkennen ist ein sehr geringer Anstieg des Durchmessers und der Geschwindigkeit des Tropfens bis zu einer gewissen Zeit. Von dieser Zeit an fallen Durchmesser und Geschwindigkeit wieder ab. Dies lässt sich dadurch erklären, dass die zeitliche Abstimmung der Signale optimiert wurde, zwischen der am Reservoir reflektierten Welle und der neu ausgesendeten Welle. Die beiden Wellen überlagern sich konstruktiv. Für höhereܴ݅ݏ݁ܶ݅݉݁ͳ werden keine Tropfen mehr generiert. Dasselbe gilt auch fürܴ݅ݏ݁ܶ݅݉݁ ൏ ͵Ɋݏ, wobei der Minimalwert der ܴ݅ݏ݁ܶ݅݉݁ ൌ ͳɊݏ ist.
Als Ablesefehler für die gemessenen Parameter wird mitͳݔ ൌ Ͳǡ͵Ɋ݉ angenommen.
Tabelle 5: Änderung derܴ݅ݏ݁ܶ݅݉݁ͳ.
ݐோଵሾɊݏሿ ͵ǡͲͲ ǡͲͲ ͳ͵ǡͲͲ ʹͲǡͲͲ ʹǡͲͲ
ܦሾɊ݉ሿ ͵ͳǡͳ ͵ͳǡͳ ͵ͳǡͷ ͵Ͳǡ ʹͺǡͺ
ݒ ቂ݉
ݏ ቃ Ͳǡ ͳǡ͵ ͳǡ Ͳǡͻ ͲǡͶ
Im zweiten Schritt wurde die ܦ௪ܶ݅݉݁ݐ erst verringert, allerdings war erst abͳ͵Ɋݏ das Austreten von Tropfen zu beobachten. Abݐൌ ͳͶɊݏ wurde nicht nur ein Tropfen erzeugt, sondern noch kleinerer Satellitentropfen zwischen den Haupttropfen (vgl. Abbildung 57). Ab einerݐൌ ʹͷɊݏ ist das Ablösen eines Tropfens zu beobachten. Der Durchmesser und die Geschwindigkeit nehmen von diesem Zeitpunkt mit zunehmenderݐ ab. Zwischenݐൌ ʹͻɊݏ െ ͵ͶɊݏ treten wieder Satellitentropfen auf. Erhöht man ݐ weiter, so ist kein weiteres Auslösen von Tropfen zu beobachten. Was man aber trotzdem sehen kann, ist ein Maximum in Durchmesser und Geschwindigkeit, was man auch hier mit der Überlagerung der reflektierten und der neu entsendeten Welle erklären kann.
Tabelle 6: Änderung derܦ௪ܶ݅݉݁.
ݐሾɊݏሿ ͳ͵ ͳͶ െ ʹͶ ʹͷ ʹ ʹͻ ͵Ͳ െ ͵͵
ܦሾɊ݉ሿ ͵ͳǡͳ ܵܽݐ݈݈݁݅ݐ݁݊ ͵͵ǡ͵ ͵ͳǡͷ ͵ͲǡͶ ܵܽݐ݈݈݁݅ݐ݁݊
ݒ ቂ݉
ݏ ቃ Ͳǡ ܶݎ݂݁݊ ͳǡͷ ͳǡʹ ͳǡͳ ܶݎ݂݁݊
Dieܨ݈݈ܽܶ݅݉݁ݐி lies sich softwarebedingt nicht weiter verringern als͵Ɋݏ. Bei dieser Messung ist ebenfalls hier ein Maximum zu erkennen, aus demselben Grund wie zuvor. Dabei ist der Effekt hier sehr viel kleiner als bei den beiden Parametern zuvor.
Tabelle 7: Änderung derܨ݈݈ܽܶ݅݉݁.
ݐிሾɊݏሿ ͵ǡͲͲ ͷǡͲͲ ͳͲǡͲͲ ͳͷǡͲͲ ͳͺǡͲͲ
ܦሾɊ݉ሿ ͵ͳǡͳ ͵ʹǡ ͵ʹǡͻ ͵ʹǡͷ ͵ͳǡͺ
ݒ ቂ݉
ݏ ቃ Ͳǡ Ͳǡͺ 1,0 Ͳǡ Ͳǡʹ
Verändert man dieܧ݄ܿܶ݅݉݁ݐா ist kein signifikanter Einfluss auf den Tropfendurchmesser und die Tropfengeschwindigkeit zu erkennen.
Tabelle 8: Änderung derܧ݄ܿܶ݅݉݁.
ݐாሾɊݏሿ ͵ʹǡͲͲ ͵ͺǡͲͲ Ͷ͵ǡͲͲ ͶͺǡͲͲ ͲǡͲͲ
ܦሾɊ݉ሿ ͵ͳǡͺ ͵ʹǡ ͵ʹǡ ͵ʹǡͻ ͵ʹǡ
Eine Veränderung derܴ݅ݏ݁ܶ݅݉݁ʹݐோଶ hat ebenfalls keinen signifikanten Einfluss auf den Durchmesser bzw. die Geschwindigkeit der Tropfen gezeigt.
Tabelle 9: Änderung derܴ݅ݏ݁ܶ݅݉݁ʹ.
ݐோଶሾɊݏሿ ͳǡͲͲ ǡͲͲ ͳ͵ǡͲͲ ͳǡͲͲ ʹʹǡͲͲ ʹͺǡͲͲ ͶͲǡͲͲ
ܦሾɊ݉ሿ ͵ʹǡͻ ͵ʹǡ ͵ͳǡͺ ͵ͳǡͺ ͵ʹǡ ͵ʹǡʹ ͵͵ǡͳ
ݒ ቂ݉
ݏ ቃ Ͳǡͷ Ͳǡͷ Ͳǡͷ Ͳǡͷ Ͳǡͷ Ͳǡͷ Ͳǡͷ
Gibt man dem Signal ein Offset, so beobachtet man nur bei drei Werten die Erzeugung von gleichgroßen Tropfen. Zwischen diesen Werten ist keine Tropfenauslösung zu erkennen. Für höhere Werte entstehen Tropfen gefolgt von Satellitentropfen.
Tabelle 10: Änderung derܫ݈ܸ݈݀݁ݐܽ݃݁.
ܷூሾܸሿ ൏ െ͵ǡͲͲ െʹǡͲͲ െʹ െ Ͳ ͲǡͲͲ ͲȂ ʹͲ ʹͲǡͲͲ ʹͲ ܦሾɊ݉ሿ ܵܽݐ݈݈݁݅ݐ݁݊ ͵͵ǡ͵ ܭ݁݅݊݁ ͵ͳǡͳ ܭ݁݅݊݁ ʹǡ ܵܽݐ݈݈݁݅ݐ݁݊
ݒ ቂ݉
ݏ ቃ ܶݎ݂݁݊ ͳǡͲ ܶݎ݂݁݊ Ͳǡ ܶݎ݂݁݊ Ͳǡ͵ ܶݎ݂݁݊
Steigert manܦ௪ܸ݈ݐܷܽ݃݁, ergibt sich ebenfalls ein Anstieg des Tropfendurchmessers und der Geschwindigkeit. Verringert man die Spannung, lässt sich auch ein Sinken des Durchmessers und der Geschwindigkeit beobachten. Wählt man die Spannung zu klein entstehen keine Tropfen, wählt man sie hingegen zu groß zerfallen die ausgestoßenen Tropfen in mehrere kleinere Tropfen, siehe Abbildung 58.
Tabelle 11: Änderung derܦ௪ܸ݈ݐܽ݃݁.
ܷሾܸሿ ͻǡͲͲ ͳͲǡͲͲ ͳͳǡͲͲ ͳʹǡͲͲ
ܦሾɊ݉ሿ ʹͻǡͻͺ ͵ͳǡͳͲ ͵ʹǡʹ ͵ʹǡͻ͵
ݒ ቂ݉
ݏ ቃ ͲǡͶ Ͳǡͷͻ ͲǡͻͶ ͳǡͶͷ
Dasselbe Verhalten ist bei der Veränderung derܧ݄ܸ݈ܿݐܽ݃݁ zu beobachten. Zwischen etwaܧ݄ܸ݈ܿݐܽ݃݁ ൌ െͺܸ und ܧ݄ܸ݈ܿݐܽ݃݁ ൌ ʹܸ wird kein Tropfen produziert, da die durch den Piezoring übertragende Energie nicht ausreicht um genügend Flüssigkeit aus der Düse zu drücken, siehe Abbildung 59. Wird die Spannungsdifferenz weiter erhöht werden Tropfen mit mehreren Satellitentropfen aus der Düse gestoßen(vgl. Abbildung 58).
Tabelle 12: Änderung derܧ݄ܸ݈ܿݐܽ݃݁.
ܷாሾܸሿ െʹͲǡͲͲ െͳͷǡͲͲ െͳͲǡͲͲ ʹǡͲͲ ͵ͲǡͲͲ ͵ͷǡͲͲ
ܦሾɊ݉ሿ ͵Ͷǡ ͵ʹǡͷ ͵ͳǡͳͲ ͵͵ǡͲͺ ͵͵ǡʹͻ ͵ͺǡͶͳ
ݒ ቂ݉
ݏ ቃ ʹǡͻͳ ͳǡͷ Ͳǡͷͻ Ͳǡ͵ ͳǡͳ ʹǡͲ͵
Abbildung 57: Tropfen mit Satellitentropfen
Die anderen Parameter dienen dazu, die reflektierte Welle mit der neu ausgesendeten Welle aufeinander abzustimmen, wodurch ebenfalls der Tropfendurchmesser und die Tropfengeschwindigkeit beeinflusst werden.
Mit den geeigneten Einstellungen ließen sich Tropfendurchmesser zwischenܦ்ൌ ͳͻǡͷ െ
͵ͺǡͶɊ݉ (vgl. Abbildung 54 und Tabelle 12) und Tropfengeschwindigkeiten von wenigen௦ bis hin zuݒ்ൌ ͳǡͻͷ௦ einstellen, siehe Abbildung 54.
3.4 Piezogesteuerte Düse in Vakuumkammer
Die Düse wurde anschließend in der Testkammer im Vakuum untersucht. Dafür wurde eine Befestigung für die Düse angefertigt. Diese Befestigung war ein Blindflansch für die Kammer, in die zwei Löcher gebohrt wurden. Eine Bohrung wurde Zentral in den Flansch gebohrt um die Düse zu befestigen. In der zweiten Bohrung wurde ein zweipoliger Lemo Stecker befestigt, der als Vakuumdurchführung für die Ansteuerung des Piezoringes dient, siehe Abbildung 60.
Es wurde außerdem eine leistungsfähigere LED verwendet, die nicht mehr über den Jetdrive getriggert wird, sondern über einen separaten Frequenzgenerator über den auch die Hochgeschwindigkeitskamera getriggert wird, vgl. Abbildung 61.
Abbildung 60: Befestigung der piezogesteuerten Düse für die Testkammer.
Abbildung 61: Versuchsaufbau für die piezogesteuerte Düse. Links: Druckregler, Jet Driver und Funktionsgenerator.
Rechts: Testkammer mit Hochgeschwindigkeitskamera.
Nachdem die Düse in der Kammer befestigt worden war, wurde bei Atmosphärendruck eine Einstellung gesucht, bei der gleich große Tropfen die Düse verlassen. Mit diesen Einstellungen wurde langsam der Druck in der Kammer verringert, um einem möglichen Einfrieren der Düse frühestmöglich durch Belüften der Kammer entgegen zu wirken. Es besteht die Gefahr, dass die Düse durch das gefrierende Wasser im Inneren der Düse beschädigt werden könnte. Um ausschließlich Tropfen aus der Düse zu bekommen, muss auf der Reservoir Seite ein entsprechend hoher Gegendruck aufgebaut werden. So wurde beim Pumpen der Kammer auch der Druck auf der Reservoir Seite angepasst. An der Pumpe am Reservoir ließ sich aber nur ein geringer Unterdruck von maximalͲͲ erzeugen. Ein Tropfenstrom bei etwaͷͲ ist in Abbildung 62 abgebildet. Als die Druckdifferenz erhöht wurde, wurde ein Jet aus der Düse gezogen, wie in Abbildung 63 und Abbildung 64 zu sehen. Dieser Jet konnte ebenfalls mit dem Piezoelement beeinflusst werden. Es war außerdem zu beobachten, dass der Zerfall des Jets durch das Piezoelement so beeinflusst wurde, dass in der Frequenz, mit der die LED Licht aussendet, kein großer Unterschied zwischen den Tropfen herrschte. Zu erkennen ist das, wenn man die Frequenz der LED gleich der Frequenz des Piezosignals wählt und es zum ͣEŝŶĨƌŝĞƌĞŶ͞ĚĞƌdƌŽƉĨĞŶďĞǁĞŐƵŶŐ kommt. Würden die Tropfen ihre Größe, Form oder Position ändern, könnte man das als ein Wabern bzw. als Bewegung der Tropfen beobachten.
Ebenfalls war für einige Signale die Anzahl der Satellitentropfen, im Vergleich zum Fall mit ausgeschaltetem Piezoring, deutlich reduziert.
Abbildung 63: Liquid Jet beeinflusst durch das Piezoelement.
Der Jet aus Abbildung 63 hat folgende Daten:
Tabelle 13: Jetdaten der piezogesteuerte Düse.
¡
ͻǡͳɊ ʹͳǡͶɊ ͵ͺǡͲɊ േ͵ǡͺɊ
Abbildung 64: Aufnahme des Jets in der Testkammer.
