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Vorrichtung zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen, insbeson- dere von solchen hoher Leistung, mit einem rückgekoppelten Oszillator, wobei der vom Oszillator er- zeugte Strom von Ultraschallfrequenz einem, einen magnetostriktiven Schwinger enthaltenden Belastungs- kreis zugeführt wird, und dem magnetostriktiven Schwinger eine elektrische Spannung entnommen wird, die als Rückkopplungsspannung über einen an den Belastungskreis des Oszillators angeschlossenen Rück- kopplungskreis zurückgeführt wird. Diese Vorrichtung ist insbesondere für hohe Ultraschalleistungen von z. B. mehreren zehn Watt bis mehreren Kilowatt geeignet. In der Praxis werden solche Vorrichtungen vor- teilhaft für Reinigungszwecke, zur Emulgierung, Dispergierung, Entgasung u. dgl. benutzt.
Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die sich bei einem maximalen Wirkungsgrad in der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Schwingungsener- gie durch grosse Betriebssicherheit und Einfachheit in der Betätigung auszeichnet.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist eine Spule auf, die in die Zuleitung zum magnetostriktiven
Schwinger eingefügt ist und die zum Erzeugen einer zweiten Rückkopplungsspannung dient. Diese zweite
Rückkopplungsspannung gleicht die durch Induktivitäten im Belastungskreis hervorgerufene induktive Komponente der Rückkopplungsspannung aus. Die genannte Spule ist mit einer im Rückkopplungskreis liegenden Reihenspule gekoppelt und in die Zuleitung zum magnetostriktiven Schwinger derart eingefügt, dass zwischen dem die Spule durchfliessenden Strom und den die Wicklung des Schwingers durchfliessenden Strom ein frequenzunabhängiger Zusammenhang besteht.
Weiter ist in den Belastungkreis in Reihe mit dem magnetostriktiven Schwinger und der genannten Spule ein Reihenkondensator aufgenommen, der mit den im Belastungskreis liegenden Induktivitäten auf die Eigenfrequenz des magnetostriktiven Schwingers abgestimmt ist.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung. Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 veranschaulichte Vorrichtung, wobei zur Erläuterung der Wirkungsweise der magnetostriktive Schwinger in einem elektrischen Ersatzschaltbild angedeutet ist. Fig. 3 zeigt ein Vektordiagramm zur weiteren Erläuterung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung. Fig. 4 und 5 zeigen weitere Ausführungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung und Fig. 6 zeigt ein Vektordiagramm zur Erläuterung der in Fig. 5 veranschaulichten Vorrichtung.
In der Vorrichtung nach Fig. l wird die Ultraschallenergie mit einer Frequenz von 21 kHz einem in Gegentakt geschalteten Elektronenröhrenoszillator mit Trioden l, 2 entnommen, wobei die Anoden über eine Leitung 3 mit der Plusklemme 4 einer Speisespannungsquelle verbunden sind. Die dargestellte Vorrichtung ist z. B. für eine Leistung von 200W geeignet.
Der beim Oszillieren des Elektronenröhrenoszillators erzeugte Oszillatorstrom wird über einen Anpassungstransformator 5 an die Erregerspule 6 des in dem Belastungskreis 7 des Oszillators liegenden magnetostriktiven Schwingers 8 zugeführt, welcher seine mechanische Schwingungsenergie an die Belastung z. B. ein Flüssigkeitsgefäss abgibt.
Der magnetostriktive Schwinger 8 besteht aus zwei U-förmigen Körpern 9, 9'aus magnetostriktivem Material mit einem kleinen Verlustwinkel, z. B. aus Ferroxcube, das im wesentlichen aus nichtleitenden Ferriten besteht, und zwischenliegenden Vormagnetisierungsplatten 10, 10' aus dauermagnetischem Ma-
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terial, z. B. Ferroxdure, welches aus nicht kubischen Kristallen von Eisen, Polyoxyden und mindestens einem der Metalle Barium, Strontium, Blei und gegebenenfalls Kalzium besteht. Die Verwendung von Ferroxcube als magnetostriktives Material hat den wesentlichen Vorteil, dass der Umwandlungsfaktor der elektrischen Energie in mechanische Schwingungsenergie im magnetostriktiven Schwinger 8 einen sehr hohen Wert aufweist.
Dabei kann die Vormagnetisierung statt mittels der dauermagnetischen Platten, 10, 10' auch auf andere Weise zustandegebracht werden, z. B. indem auf dem magnetostriktiven Schwinger 8 eine
Vormagnetisierungswicklung angebracht wird, die an eine geeignete Vorspannungsquelle angeschlossen wird.
Um die zum Aussteuern der als Oszillator geschalteten Röhren 1. 2 erforderliche Rückkopplungsspannung zu erzielen, ist der Ruckkopplungskreis 11 elektrisch direkt mit dem Belastungskreis 7 verbunden und die dem Belastungskreis 7 entnommene Rückkopplungsspannung wird über einen RUckkopplungstransfor- mator 12 und Gitterkondensatoren 13,14 an die Steuergitter der Trioden 1,2 geführt, die über Gitterwiderstände 15, 16 mit den geerdeten Kathoden der Trioden 1, 2 verbunden sind. In der geschilderten Vorrichtung bildet der magnetostriktive Schwinger das die Frequenz bestimmende Element des Oszillators, so dass der Oszillator mit einer Frequenz schwingen wird, die lediglich durch den magnetostriktiven Schwinger bestimmt wird.
In der Praxis hat es sich gezeigt, dass bei Verwendung der erwähnten Vorrichtung der Wirkungsgrad der Umwandlung der elektrischen Energie in die von dem magnetostriktiven Schwinger 8 gelieferte mechanische Schwingungsenergie bei hoher Belastung des magnetostriktiven Schwingers 8 in hohem Masse abnimmt und es hat sich dabei ergeben, dass diese Erscheinung auf den besonderen Charakter der durch den 1nagnetostriktiven Schwinger 8 gebildeten Impedanz zurückzuführen ist, die in Fig. 2 in einem elektischen Ersatzschaltbild veranschaulicht ist.
Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass der magnetostriktive Schwinger 8 aus der Reihenschaltung einer Induktivität 17 und eines durch einen Widerstand 18 überbrücken Parallelkreises 19 besteht, dessen Abstimmfrequenz die Eigenfrequenz des magnetostriktiven Schwingers 8 bedingt, wobei der Widerstand 18 die ohmsche Last des magnetostriktiven Schwingers 8 darstellt.
Zur Erläuterung des Vorstehenden zeigt Fig. 3 das Strom-Spannungsdiagramm des magnetostriktiven Schwingers 8, wenn dieser magnetostriktive Schwinger 8 durch einen Erregerstrom I gespeist wird, dessen Frequenz f. genau gleich der Eigenfrequenz des magnetostriktiven Schwingers 8 ist.
Wenn in dem elektrischen Ersatzschaltbild nach Fig. 2 die Resonanzimpedanz des gedämpften Krei-
EMI2.1
der Belastung zunimmt.
Wird der magnetostriktive Schwinger 8 als frequenzbestimmendes Element in den Belastungskreis des Oszillators aufgenommen, so wird der Oszillator nicht genau in der Eigenfrequenz fo des magnetostriktiven Schwingers 8 schwingen, sondern gegenüber dieser Eigenfrequenz fo eine Frequenzabweichung aufweisen, die durch den Phasenwinkel. bestimmt wird, da zum Erfüllen der Schwingbedingung der Oszillator sich auf eine solche Frequenz f einstellt, dass für diese Frequenz der magnetostriktive Schwinger, der aus der Reiheninduktivität 17 und dem gedämpften Kreis 19 besteht, einen reellen Charakter aufweist.
Daher wird der magnetostriktive Schwinger 8 durch den Erregerstrom des Oszillators nicht genau in seiner Eigenfrequenz f. erregt, worauf zurückzuführen ist, dass die vorerwähnte Erscheinung eintritt, d. h. dass bei Belastung des magnetostriktiven Schwingers 8 die Umwandlung der elektrischen Energie in die mechanische Schwingungsenergie sich als besonders ungünstig erweist.
Zur Verbesserung dieser Umwandlung ist in der dargestellten Vorrichtung in denRUckkopplungskreis 11 eine Spule 21 aufgenommen, die zusammen mit einer in Reihe mit dem magnetostriktiven Schwinger 8 geschalteten Spule 20 einen Transformator bildet, um eine zweite Rückkopplungsspannung zu erzeugen, welche die induktive Komponente der Rückkopplungsspannung der Reiheninduktivität 17 der ersten Rückkopplungsspannung praktisch ausgleicht. Beträgt z.
B. der Wert der Induktivität der Spule 20 in dem Belastungskreis L,, so tritt über dieser Spule eine Spannung IQL. auf (vgl. Fig. 3) und es entsteht fiber der Spule 21 bei geeignet gewählter Wicklungsrichtung in dem Rückkopplungskreis 11 eine Spannung, die der Spannung über der Reiheninduktivität 17 des magnetostriktiven Schwingers 8 entgegengesetzt ist und einen Wert IwoM hat, wobei M die Gegeninduktivität zwischen der Spule 20 in dem Belastungskreis 7 und der
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Spule 21 im Rückkopplungskreis 11 bezeichnet.
Wird die Gegeninduktivität M zwischen den Spulen 20 und 21 gleich der Reiheninduktivität 17 des magnetostriktiven Schwingers 8 gemacht, so wird die Kom- ponente der RUckkopplungsspannung infolge der Reiheninduktivität 17 des magnetostriktiven Schwingers genau ausgeglichen, so dass der gedämpfte Schwingungskreis 19 lediglich das die Frequenz bestimmende Element des Oszillators bildet. Der Oszillator wird infolgedessen genau mit der Eigenfrequenz fo des magnetostriktiven Schwingers 8 schwingen, wenn ausserdem dafür gesorgt wird, dass der von dem rückgekop- pelten Oszillator gelieferte Erregerstrom unter Vermeidung einer frequenzabhängigen Stromverteilung dem magnetostriktiven Schwinger 8 zugeführt wird.
Es soll insbesondere vermieden werden, dass der magnetostriktive Schwinger 8 durch einen Kondensator oder eine andere frequenzabhängige Impedanz überbrückt wird.
In der geschilderten Vorrichtung sind die beschriebenen Massnahmen. die unabhängig von den Betriebsbedingungen eine Erregung des magnetostriktiven Schwingers 8 genau in seiner Eigenfrequenz sichern, zum Erzielen eines günstigen Umwandlungsgrades der elektrischen Energie in mechanische Schwingungsenergie von wesentlicher Bedeutung, aber in anderm Sinne wirken sich diese Massnahmen auf das Erreichen des angestrebten Zwecks ungünstig aus.
Insbesondere wirken diese Massnahmen einerrichtigenBelastungsanpassung zwischen den Oszillatorröhren 1, 2 und dem magnetostriktiven Schwinger 8 entgegen, da, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, die durch den magnetostriktiven Schwinger 8 gebildete Röhrenbelastung bei der Eigenfrequenz einen vorwiegend induktiven Charakter aufweist, der sogar durch die Einfügung der Reihenspule 20 in den Belastungskreis 7 noch mehr ausgeprägt wird.
Unter Aufrechterhaltung der erzielten Vorteile wird diese Belastungsanpassung und somit eine maximale Energieübertragung der Oszillatorröhren 1, 2 auf den magnetostriktiven Schwinger 8 auf einfache Weise erzielt, indem in der geschilderten Vorrichtung in den Belastungskreis 7 ein Reihenkondensator 23 eingefügt wird, der mit den Reiheninduktivitäten in dem Belastungskreis 7 annähernd auf die Eigenfrequenz fo des magnetostriktiven Schwingers 8 abgestimmt ist. Die Belastung des Oszillators wird dann hauptsächlich durch den gedämpften Kreis 19 in demErsatzdiagramm des magnetostriktiven Schwingers 8 gebildet, der bei der Eigenfrequenz fo eine reelle Impedanz darstellt und es kann somit durch geeignete Bemessung des Transformators 5 eine Belastungsanpassung bewerkstelligt werden.
Durch die beschriebenen Massnahmen wird eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen erhalten, die sich bei einer einfachen Bauart durch einen maximalen Wirkungsgrad auszeichnet.
Zur weiteren Verbesserung der beschriebenen Vorrichtung wird der Anpassungstransformator 5 durch einen Parallelkondensator 22 annähernd auf die Eigenfrequenz des magnetostriktiven Schwingers 8 abgestimmt ; dieser abgestimmte Transformator 5,22 bildet mit dem abgestimmten Reihenkreis 20. 17, 23 in dem Belastungskreis bei der Eigenfrequenz des magnetostriktiven Schwingers 8 ein Bandpassfilter mit einer Durchlasskennlinie, die eine Bandbreite von z. B. 2 kHz hat. Für ausserhalb des Durchlassbereiches des Bandpassfilters liegende Frequenzen hat der durch den abgestimmten Transformator 5, 22 gebildete Eingangskreis des so gebildeten Bandpassfilters eine sehr niedrige Impedanz, so dass für diese Schwingungen an den Anoden der Röhren 1, 2 keine hohen Sapnnungen auftreten können, die eine Zunahme der Röhrenverlustleistung herbeiführen würden.
Diese Massnahme ist besonders vorteilhaft bei in Klasse C betriebenen Oszillatorröhren, bei denen die impulsförmigen Röhrenströme starke harmonische Komponenten enthalten.
Dem Rückkopplungskreis 11 ist auch eine bandpassfilterartige Durchlasskennlinie erteilt, was in diesem Falle dadurch bewerkstelligt wird, dass die in Reihe geschalteten Induktivitäten n 21 mittels eines Reihenkondensators 24 und die Sekundärwicklung des Rückkopplungstransformators 12 mittels eines Parallelkondensators 25 annähernd aufdie Eigenfrequenz des magnetostriktiven Schwingers 8 abgestimmt werden. Dabei wird das Eindringen unerwünschter Frequenzen in den Rückkopplungskreis vermieden, während weiters Phasenverschiebungen der Rückkopplungsspannungen in èem Rilckkopplungskreis an sich, welche z. B. durch Gitterströme in den Oszillatorröhren l, 2 hervorgerufen werden können, weitgehendst herabgesetzt werden.
Von einer in der Praxis erprobten Vorrichtung der beschriebenen Art werden nachstehend die betreffenden Daten angegeben :
EMI3.1
<tb>
<tb> Röhren <SEP> : <SEP> 2xTB <SEP> 2. <SEP> 5/400
<tb> Spule <SEP> 17 <SEP> : <SEP> 138 <SEP> MH
<tb> Spule <SEP> 20 <SEP> : <SEP> 7 <SEP> J. <SEP> I <SEP> H <SEP>
<tb> Spule <SEP> 21 <SEP> : <SEP> 2780 <SEP> bi <SEP> H <SEP>
<tb> Kondensator <SEP> 22 <SEP> : <SEP> 900 <SEP> jLt <SEP> F
<tb>
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EMI4.1
<tb>
<tb> Kondensator <SEP> 23 <SEP> : <SEP> 0, <SEP> 16 <SEP> pF <SEP>
<tb> Kondensator <SEP> 24 <SEP> : <SEP> 0, <SEP> 018 <SEP> iF
<tb> Kondensator <SEP> 25 <SEP> : <SEP> 0, <SEP> 008 <SEP> juf <SEP>
<tb> Gegeninduktivität <SEP> 20. <SEP> 21 <SEP> : <SEP> 139 <SEP> joh <SEP>
<tb> Transformationsverhältnis <SEP> des <SEP> Transformators <SEP> 5 <SEP> : <SEP> 1 <SEP> :
<SEP> 10
<tb> Transformationsverhältnis <SEP> des <SEP> Transformators <SEP> 12 <SEP> : <SEP> 3, <SEP> 5 <SEP> : <SEP> 1. <SEP>
<tb>
Hiebei sind derBelastungskreis7 und der Rückkopplungskreis 11 durch den Reihenkondensator 23 bzw. 24 auf die Eigenfrequenz von 21 kHz des magnetostriktiven Schwingers 8 abgestimmt, während durch den
Kondensator 22 und den Kondensator 25 der Ausgangstransformator 5 bzw. der Ruckkopplungstransformator auf 21 kHz abgestimmt sind.
Ausser den erwähnten Vorteilen der geschilderten Vorrichtung, d. h. einer einfachen Bauart, einem maximalen Umwandlungsgrad, einer günstigen Röhrenbelastung, gestattet die vorliegende Vorrichtung eine einfache Betätigung, da keine Nachregelung der Frequenz notwendig ist, und weist den praktisch wichtigen Vorteil einer grossen Betriebssicherheit auf.
Im Vorstehenden wurde bereits erläutert, dass die
Oszillatorbelastung hauptsächlich durch den Parallelkreis 19 in dem elektrischen Ersatzschaltbild (Fig. 2) des magnetostriktiven Schwingers 8 gebildet wird, so dass am Parallelkreis 19 eine mit der Ausgangsspannung des Oszillators proportionale Spannung auftritt, deren Amplitude zwischen Nullast und Vollast praktisch gleich der der Speisespannung der Oszillatorröhren 1, 2 ist, oder in andern Worten ausgedrückt, auch die mechanische Schwingungsamplitude des magnetostriktiven Schwingers 8, welche proportional der Spannung am Parallelkreis 19 ist, wird zwischen Nullast und Vollast praktisch gleich bleiben.
Ohne dass die Gefahr eines Schadhaftwerdens des magnetostriktiven Schwingers 8 infolge einer ausserordentlich grossen mechanischen Schwingungsamplitude besteht, kann daher der Schwinger 8 stark veränderlichen Betriebsverhältnissen ausgesetzt werden.
Es sei hier bemerkt, dass der Ruckkopplungskreis 11 nicht zwischen der Spule 20 und dem magnetostriktiven Schwinger 8 angeschlossen zu werden braucht, sondern alternativ mit dem von dem Schwinger 8 abgewendeten Ende der Spule 20 verbunden werden kann. In diesem Falle muss die Gegeninduktivität M zwischen den Spulen 20,21 annähernd gleich der Summe der Induktivität 17 und der Spule 20 gemacht werden.
Fig. 4 zeigt eine Abart der in Fig. 1 veranschaulichten Vorrichtung, wobei entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung darin, dass der Ruckkopplungskreis 11 transformatorisch an den Belastungskreis 7 angeschlossen ist ; dies wird dadurch erreicht, dass an dem magnetostriktiven Schwinger 8 eine Kopplungsspule 26 angebracht wird, die mit der Erregerspule 6 induktiv gekoppelt ist. Auf diese Weise, wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1, ist in dieser Vorrichtung zum Erzeugen der zweiten Rückkopplungsspannung in Reihe mit der Erregerspule 6 eine Spule 27 vorgesehen, die mit einer im Rückkopplungskreis 11 liegenden Spule 28 induktiv gekoppelt ist.
Die Wirkungsweise ist der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ähnlich. Es sei nur das Transfo- mationsverhältnis zwischen den Spulen 6, 26 des magnetostriktiven Schwingers 8 berücksichtigt. Bei einem Transformationsverhältnis zwischen den Spulen 6, 26 von 1, muss die Gegeninduktivität M zwischen den Spulen 27,28 auf die an Hand der Fig. 1 beschriebene Weise gleich der Reiheninduktivität 17 (s. Fig. 2) des Umformers 8 gemacht werden. Bei einem andern Transformationsverhältnis muss die Gegeninduktivität M zwischen den Spulen 27,28 demgemäss geändert werden. Wenn z. B. das Transformationsverhältnis 1 : 2 beträgt, so ist die Gegeninduktivität zwischen den Spulen 27,28 halb so gross wie die Reihenin- duktivität 17 des Schwingers 8 zu machen.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung, wobei der transformatorische Anschluss des Ruckkopplungskreises 11 zur Erzielung einer Vereinfachung benutzt wird. Die Spule 27 im Belastungskreis 7 (s. Fig. 4) und die Spule 28 im Rückkopplungskreis 11 werden dabei durch eine gemeinsame Spule 29 gebildet, die sowohl im Belastungskreis 7 als auch im Ruckkopplungskreis 11 enthalten ist. In der dargestellten Vorrichtung ist zu diesem Zweck die gemeinsame Spule 29 sowohl in Reihe mit der Erregerspule 6 als auch mit der Kopplungsspule 26 des magnetostriktiven Schwingers 8 geschaltet.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Vorrichtung zeigt Fig. 6 ein Vektordiagramm.
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