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PROCEDE D'ALIMENTATION D'UN ORGANE PIEZO-ELECTRIQUE DESTINE A UN PULVERISATEUR ULTRASONIQUE ET DISPOSITIF DESTINE A CET
EFFET Objet de l'invention [0001] La présente invention concerne un procédé d'alimentation d'un organe piézo-électrique destiné à un pulvérisateur ultrasonique.
[0002] La présente invention se rapporte également à un dispositif destiné à la mise en oeuvre de ce procédé.
Arrière-plan technologique [0003] Dans le but, en particulier, de la pulvérisation ultrasonique de liquides, on utilise un sandwich d'éléments piézo-électriques fixés entre un support et une tige métallique dont le rôle est d'amplifier les vibrations ultrasoniques.
[0004] Un mince film liquide déposé à l'extrémité de l'amplificateur, appelé transducteur, explose instantanément en gouttelettes.
[0005] Le circuit électronique d'alimentation de l'organe piézo-électrique comprend généralement un générateur d'ondes constitué par un circuit oscillant et des moyens d'élévation de la puissance du signal tels qu'un amplificateur haute tension.
[0006] Dans les procédés connus, il est nécessaire d'ajuster exactement la fréquence du circuit oscillatoire à
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la fréquence propre de résonance du transducteur : en effet, la plage de fréquence où a lieu la résonance est très étroite et varie et dérive en fonction de facteurs comme le temps, la température et la charge de l'organe piézo-électrique. Les circuits de sortie comprennent des transistors et un transformateur.
[0007] L'un des inconvénients de ce type d'alimentation électronique est de rendre le couple circuit électronique d'alimentation-transducteur inséparable. Ces systèmes, s'ils sont produits en grande série, nécessitent un réglage pour chaque couple circuit électronique d'alimentation-transducteur.
[0008] De plus, en cas de dérive en fréquence de l'un des deux éléments, ce qui n'est pas rare, il n'y a plus de pulvérisation.
[0009] D'autres circuits électroniques existent pour remédier à ces inconvénients, mais ils restent relativement complexes.
[0010] Les électroniques connues sont toujours coûteuses. Par ailleurs, les alimentations électroniques dans la plupart des systèmes existants comprennent un transformateur de sortie à haute fréquence. Ce transformateur n'est pas disponible en série et en outre, il fixe la puissance et la fréquence de fonctionnement.
[0011] En effet, la bande passante étant relativement étroite pour un transformateur donné, la gamme de fréquence possible sera relativement limitée.
Buts de l'invention [0012] La présente invention vise à proposer un procédé et un dispositif qui permettent 11 autorégulation d'un courant d'alimentation par rapport à la fréquence de résonance du transducteur.
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[0013] La présente invention vise donc à permettre de dissocier le couple circuit électronique d'alimentation - transducteur et d'éviter d'être gêné par les divergences dans les caractéristiques physiques d'un transducteur à l'autre pour un même procédé de fabrication ou encore par la dérive en fréquence apparaissant pour un même transducteur.
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[0014] La présente invention vise également à proposer une solution simple et peu coûteuse où le circuit électronique d'alimentation est composé d'éléments disponibles dans le commerce.
[0015] La présente invention vise à proposer une solution qui peut être utilisée pour une gamme plus large de puissances et de fréquences de fonctionnement que celles proposées selon l'état de la technique.
[0016] La présente invention vise à proposer une solution impliquant une très faible consommation d'énergie.
Principaux éléments caractéristiques de l'invention [0017] La présente invention se rapporte à un procédé de commande d'un pulvérisateur ultrasonique qui comprend un élément piézo-électrique et un élément amplificateur mécanique de la vibration générée au sein de l'élément piézo-électrique, caractérisé en ce que l'on réalise un circuit oscillant pour commander l'organe piézo-électrique en l'asservissant de manière automatique à la fréquence de résonance dudit transducteur.
[0018] Selon la présente invention, on stabilise la fréquence de résonance dudit transducteur en faisant passer le courant d'excitation de l'élément piézo-électrique au maximum de sa résonance par une résistance, en transmettant le signal de sortie aux bornes de la résistance à un premier amplificateur inverseur, le signal étant ensuite envoyé sur l'entrée d'un amplificateur de sortie, un
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bouclage de la sortie de l'amplificateur de sortie étant enfin assuré par le passage par l'élément piézo-électrique.
[0019] De préférence, le signal de sortie aux bornes de ladite résistance est filtré par un élément d'inductance et une capacité disposés en série avec ladite résistance. [0020] De préférence, le signal est lissé par un condensateur en parallèle sur ladite résistance.
[0021] De manière particulièrement avantageuse, la valeur de la résistance est très faible par rapport à la résistance de l'élément piézo-électrique.
[0022] La présente invention se rapporte également au dispositif de commande d'un pulvérisateur ultrasonique qui comprend un élément piézo-électrique et un amplificateur mécanique comprenant, disposés en série, un premier amplificateur inverseur, un second amplificateur de sortie, ledit élément piézo-électrique et une résistance qui est elle-même en série avec le premier amplificateur.
[0023] De préférence, un filtre constitué d'un élément d'inductance et d'un élément capacitif est disposé en série entre la résistance et le premier amplificateur.
[0024] De préférence, un élément capacitif est disposé en parallèle sur ladite résistance.
[0025] La présente invention vise à proposer une technique bien adaptée en particulier aux applications suivantes : - humidification de l'air, - distribution de produits actifs, - production de poudres techniques (par exemple métalliques) ou alimentaires, - recouvrement de surfaces en couches très minces, - combustion, - pulvérisations médicales,
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- agronomiques, comme irrigation et/ou pulvérisation de produits phytosanitaires.
Brève description des figures [0026] La figure 1 représente schématiquement un pulvérisateur ultrasonique de liquide utilisant le circuit électronique d'alimentation selon la présente invention.
[0027] La figure 2 représente le circuit électronique de commande de l'organe piézo-électrique.
[0028] La figure 3 représente en détails le circuit électronique d'alimentation permettant l'alimentation du circuit de commande de l'organe piézo-électrique.
Description détaillée de l'invention [0029] La figure 1 représente un pulvérisateur comprenant un support 10, un organe piézo-électrique 11 composé de deux éléments piézo-céramiques et un élément amplificateur mécanique. Celui-ci comprend une tige 4 formant amplificateur mécanique pour le mouvement de vibration qui est communiqué par l'organe piézo-électrique il, ainsi qu'une surface d'extrémité 5 qui est la surface active sur laquelle un film de liquide sera pulvérisé. Le liquide est introduit par une alimentation 13 qui parcourt le pulvérisateur sur sa longueur. La connexion électrique 16 destinée à être raccordée au circuit électronique d'alimentation permet l'excitation du pulvérisateur 12.
[0030] A la résonance du pulvérisateur, une quantité d'énergie minimum entraîne la formation d'ondes instables de surface du film liquide dont les crêtes se détachent en gouttelettes, réalisant la pulvérisation du liquide.
[0031] La figure 2 représente schématiquement l'ensemble du circuit électronique de commande de l'organe piézo-électrique 11. Ce circuit électronique comprend d'une part un générateur constitué par un circuit oscillateur
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dont la fréquence doit être ajustée de manière automatique à la fréquence du transducteur et un amplificateur de signal qui alimente directement l'organe piézo-électrique. [0032] Dans ce but, une résistance R5 se trouve en série sur l'organe piézo-électrique 11. Cette résistance R5 présente une valeur très inférieure à la résistance électrique de l'organe piézo-électrique 11. A la résonance, l'impédance du pulvérisateur est la plus faible.
Du point de vue électrique, le pulvérisateur peut être considéré comme une résistance pure, c'est-à-dire que le courant et la tension sont en phase.
[0033] La tension aux bornes de la résistance R5 est envoyée sur un amplificateur inverseur Ul à travers le filtre Ll/C3 afin d'éviter que la fréquence de l'alimentation ne s'établisse sur une harmonique de la fréquence de résonance du pulvérisateur. Un autre système de filtrage peut également être utilisé. Le signal est lissé au moyen du condensateur C2, connecté en parallèle à la résistance R5. Le signal qui sort de l'amplificateur Ul est envoyé à l'entrée du double amplificateur U2/U3. Les amplificateurs inverseurs Ul et U2 sont alimentés en basse tension continue ; l'amplificateur inverseur booster U3 donne la puissance finale nécessaire à la pulvérisation grâce à son alimentation en haute tension continue.
[0034] Le circuit est composé, à titre d'éléments actifs, uniquement d'amplificateurs inverseurs opérationnels, disponibles dans le commerce et peu coûteux.
Il ne comprend pas de transformateur de sortie habituel dans les solutions de l'état de la technique qui fixerait la puissance de la pulvérisation. L'ensemble forme un circuit oscillatoire dont la fréquence s'adapte automatiquement'et exactement à la fréquence de résonance du pulvérisateur malgré la dérive de fréquence éventuelle
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de celle-ci. Il met donc le pulvérisateur en résonance, ce qui assure la pulvérisation.
[0035] Le générateur haute fréquence est très stable. On crée ainsi des gouttes très fines, de 30 microns par exemple, avec une distribution très étroite du diamètre des gouttelettes.
[0036] Le grand avantage de la présente invention réside dans le fait de la grande modularité du circuit d'alimentation. En effet, un même circuit pourra être adapté à plusieurs fréquences de fonctionnement dans une plage de fréquence relativement importante (allant de 10 à 150 kHz selon la taille des gouttes souhaitée par l'utilisateur) et dans une large gamme de puissance de fonctionnement.
[0037] En effet, dans certains cas comme par exemple pour une utilisation de liquides relativement visqueux ou pour une éjection plus lointaine ou encore dans le cas d'un débit accru, il est nécessaire d'augmenter la puissance du pulvérisateur.
[0038] La figure 3 représente le circuit permettant l'alimentation du circuit de commande de l'organe piézo-électrique. Celui-ci est composé de 2 transformateurs dont les sorties sont raccordées à 2 ponts de diodes. Le premier pont de diodes (PD1) permet, après filtrage via les condensateurs C4jC5, de fournir la haute tension l HV nécessaire pour alimenter le circuit de sortie de l'amplificateur U3 du circuit de commande. Le deuxième pont de diodes (PD2) permet, après filtrage via les condensateurs C6/C7, et via 2 régulateurs (GND) de générer la tension l V nécessaire pour alimenter les amplificateurs Ul et U2 du circuit de commande.
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METHOD FOR SUPPLYING A PIEZOELECTRIC MEMBER FOR AN ULTRASONIC SPRAYER AND DEVICE FOR THE SAME
EFFECT Object of the invention The present invention relates to a method of supplying a piezoelectric member intended for an ultrasonic sprayer.
The present invention also relates to a device for the implementation of this method.
Technological background [0003] For the purpose, in particular, of ultrasonic spraying of liquids, a sandwich of piezoelectric elements is used fixed between a support and a metal rod whose role is to amplify ultrasonic vibrations.
[0004] A thin liquid film deposited at the end of the amplifier, called a transducer, explodes instantly in droplets.
The electronic supply circuit of the piezoelectric member generally comprises a wave generator constituted by an oscillating circuit and means for raising the signal power such as a high voltage amplifier.
In known methods, it is necessary to exactly adjust the frequency of the oscillatory circuit to
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the natural resonant frequency of the transducer: in fact, the frequency range where the resonance takes place is very narrow and varies and drifts as a function of factors such as time, temperature and charge of the piezoelectric organ. The output circuits include transistors and a transformer.
One of the drawbacks of this type of electronic power supply is that it makes the electronic power-transducer circuit couple inseparable. These systems, if produced in large series, require an adjustment for each electronic supply-transducer pair.
In addition, in the event of a frequency drift of one of the two elements, which is not uncommon, there is no longer any spraying.
Other electronic circuits exist to remedy these drawbacks, but they remain relatively complex.
Known electronics are always expensive. In addition, electronic power supplies in most existing systems include a high frequency output transformer. This transformer is not available in series and in addition, it fixes the power and the operating frequency.
Indeed, the bandwidth being relatively narrow for a given transformer, the possible frequency range will be relatively limited.
AIMS OF THE INVENTION The present invention aims to propose a method and a device which allow self-regulation of a supply current with respect to the resonant frequency of the transducer.
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The present invention therefore aims to allow to dissociate the electronic supply circuit - transducer couple and avoid being hindered by divergences in the physical characteristics from one transducer to another for the same manufacturing process. or by the frequency drift appearing for the same transducer.
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The present invention also aims to provide a simple and inexpensive solution where the electronic supply circuit is composed of commercially available elements.
The present invention aims to provide a solution which can be used for a wider range of powers and operating frequencies than those proposed according to the state of the art.
The present invention aims to provide a solution involving very low energy consumption.
Main characteristic elements of the invention The present invention relates to a method for controlling an ultrasonic sprayer which comprises a piezoelectric element and a mechanical amplifier element of the vibration generated within the piezoelectric element , characterized in that an oscillating circuit is produced to control the piezoelectric member by automatically slaving it to the resonance frequency of said transducer.
According to the present invention, the resonant frequency of said transducer is stabilized by passing the excitation current of the piezoelectric element to the maximum of its resonance by a resistance, by transmitting the output signal across the terminals of the resistance to a first inverting amplifier, the signal then being sent to the input of an output amplifier, a
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looping of the output of the output amplifier being finally ensured by the passage through the piezoelectric element.
Preferably, the output signal across said resistor is filtered by an inductor and a capacitor arranged in series with said resistor. Preferably, the signal is smoothed by a capacitor in parallel on said resistor.
Particularly advantageously, the value of the resistance is very low compared to the resistance of the piezoelectric element.
The present invention also relates to the control device of an ultrasonic sprayer which comprises a piezoelectric element and a mechanical amplifier comprising, arranged in series, a first inverting amplifier, a second output amplifier, said piezoelectric element. electric and a resistor which is itself in series with the first amplifier.
Preferably, a filter consisting of an inductance element and a capacitive element is arranged in series between the resistor and the first amplifier.
Preferably, a capacitive element is arranged in parallel on said resistor.
The present invention aims to provide a technique well suited in particular to the following applications: - humidification of air, - distribution of active products, - production of technical (for example metallic) or food powders, - surface covering in very thin layers, - combustion, - medical sprays,
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- agronomic, as irrigation and / or spraying of phytosanitary products.
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES FIG. 1 schematically represents an ultrasonic liquid sprayer using the electronic supply circuit according to the present invention.
Figure 2 shows the electronic circuit for controlling the piezoelectric member.
Figure 3 shows in detail the electronic supply circuit for supplying the control circuit of the piezoelectric member.
Detailed description of the invention [0029] Figure 1 shows a sprayer comprising a support 10, a piezoelectric member 11 composed of two piezo-ceramic elements and a mechanical amplifier element. This comprises a rod 4 forming a mechanical amplifier for the vibration movement which is communicated by the piezoelectric member 11, as well as an end surface 5 which is the active surface on which a film of liquid will be sprayed. The liquid is introduced through a supply 13 which runs along the length of the sprayer. The electrical connection 16 intended to be connected to the electronic supply circuit enables the sprayer 12 to be excited.
At the resonance of the sprayer, a minimum amount of energy causes the formation of unstable waves of the surface of the liquid film, the peaks of which detach in droplets, producing the spraying of the liquid.
Figure 2 shows schematically the entire electronic circuit for controlling the piezoelectric member 11. This electronic circuit comprises on the one hand a generator constituted by an oscillator circuit
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the frequency of which must be automatically adjusted to the frequency of the transducer and a signal amplifier which supplies the piezoelectric element directly. For this purpose, a resistor R5 is in series on the piezoelectric member 11. This resistor R5 has a value much lower than the electrical resistance of the piezoelectric member 11. At resonance, the sprayer impedance is the lowest.
From the electrical point of view, the sprayer can be considered as a pure resistance, that is to say that the current and the voltage are in phase.
The voltage across the resistor R5 is sent to an inverting amplifier Ul through the filter L1 / C3 in order to prevent the power supply frequency from establishing on a harmonic of the resonant frequency of the sprayer . Another filtering system can also be used. The signal is smoothed by means of the capacitor C2, connected in parallel to the resistor R5. The signal which leaves the amplifier Ul is sent to the input of the double amplifier U2 / U3. The inverting amplifiers Ul and U2 are supplied with low DC voltage; the inverting booster amplifier U3 gives the final power necessary for spraying thanks to its high-voltage DC supply.
The circuit is composed, as active elements, only operational inverting amplifiers, commercially available and inexpensive.
It does not include an output transformer usual in the solutions of the state of the art which would fix the power of the spray. The assembly forms an oscillatory circuit whose frequency adapts automatically and exactly to the resonant frequency of the sprayer despite the possible frequency drift
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of it. It therefore puts the sprayer in resonance, which ensures the spraying.
The high frequency generator is very stable. This creates very fine drops, 30 microns for example, with a very narrow distribution of the diameter of the droplets.
The great advantage of the present invention lies in the fact of the great modularity of the supply circuit. Indeed, the same circuit can be adapted to several operating frequencies in a relatively large frequency range (from 10 to 150 kHz depending on the size of the drops desired by the user) and in a wide range of operating power.
Indeed, in some cases such as for example for the use of relatively viscous liquids or for more distant ejection or in the case of increased flow, it is necessary to increase the power of the sprayer.
3 shows the circuit for supplying the control circuit of the piezoelectric member. This consists of 2 transformers whose outputs are connected to 2 diode bridges. The first diode bridge (PD1) allows, after filtering through the capacitors C4jC5, to supply the high voltage l HV necessary to supply the output circuit of the amplifier U3 of the control circuit. The second diode bridge (PD2) allows, after filtering via the capacitors C6 / C7, and via 2 regulators (GND) to generate the voltage l V necessary to supply the amplifiers Ul and U2 of the control circuit.