CH668877A5

CH668877A5 - Vorrichtung zum betrieb eines piezoelektrischen ultraschallwandlers.

Info

Publication number: CH668877A5
Application number: CH151/85A
Authority: CH
Inventors: Herbert Gaessler
Original assignee: Herbert Gaessler
Priority date: 1984-01-19
Filing date: 1985-01-14
Publication date: 1989-01-31
Also published as: IT8424123A0; BE901504A; FR2558675B1; SE464279B; SE8405766D0; IT1177455B; GB8501262D0; GB2153170A; US4703213A; GB2153170B; FR2558675A1; SE8405766L; DE3401735C1

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei derartigen Geräten wird unter Ausnutzung des Piezoef-fekts elektrische Energie in hochfrequente, mechanische Schwingungen umgewandelt, mit denen Flüssigkeiten sehr fein zerstäubt werden können.

Durch die US-PS 4 275 363 ist eine Vorrichtung dieser Art bekannt, bei der elektrische Antriebsenergie von einem durch Phasenbeziehungen zwischen Strom und Spannung im Wandlerkreis über eine Phasenregelschleife gesteuerten Oszillator über einen Transformator dem Wandler ständig zugeführt wird. Die vom Oszillator erzeugte Schwingungsfrequenz wird dabei dem Ultraschallwandler aufgezwungen. Dadurch entsteht der Nachteil, dass eine züverlässige Funktion des Zerstäubers beim Anschwingen vor allem unter Last und bei sich ändernden Betriebsbedingungen nicht mehr gewährleistet ist, da sich die Impedanz und damit die Phasenbeziehungen zwischen Strom und Spannung des Wandlers bei Belastungsänderungen stark ändern und damit eine Nachführung der optimalen Schwingfrequenz, abgeleitet aus Phasenbeziehungen zwischen Strom und Spannung im Wandler, nicht möglich ist. Eine echte Kompensation der Wandlerkapazität mittels einer Induktivität, wie es auch in der US-PS 4 275 363 versucht wird, kann wegen der sich ändernden Wandlerkapazität bei Belastungsänderungen nicht erreicht werden.

Belastungsänderungen können insbesondere beim Anschwingen, durch Temperaturänderungen, bei Spannungsschwankungen, unterschiedlichen Flüssigkeitsdichten, Tausch des Wandlers u.dgl. hervorgerufen werden. Der Wandler kann beispielsweise durch einen restlichen Flüssigkeitstropfen oder infolge durchströmender, nicht zerstäubter Flüssigkeit vor dem

Anschwingen stark bedämpft sein. Daraus ergeben sich sehr unterschiedliche elektromechanische Eigenschaften des Wandlers gegenüber den gewünschten Eigenschaften im Zerstäubungszustand. Da eine automatische Anpassung des Oszillators an diese veränderten Betriebsbedingungen bei der bekannten Ausführung nicht möglich ist, kann dadurch die Zuverlässigkeit und Arbeitsqualität des Zerstäubers sehr stark beeinträchtigt werden, das heisst, diese Ausführung ist für viele Anwendungsfälle nicht geeignet.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und einen Ultraschallwandler der eingangs erwähnten Art zu schaffen, dessen Wandlereigenschaften den jeweils herrschenden Betriebsbedingungen in optimaler Weise angepasst werden können und der dadurch für möglichst viele Anwendungsfälle geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach dem Patentanspruch 1 gelöst. Der Parallelschwingkreis stellt eine sich mit der mechanischen Belastung des Wandlers ändernde Impedanz dar, die bei geeigneter Wahl der Induktivität zur automatischen Regulierung der Wandlerleistung geeignet ist. Die zur Regelung erforderliche Messgrösse wird durch Wandlung der mechanischen Schwingung über die Piezoscheiben als Generator erzeugt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Energieimpulse über einen dem Transformator vorgeschalteten Transistorschalter dem Parallelschwingkreis kurzzeitig zugeführt.

Zur Synchronisation der Phasenregelschleife ist zwischen Transformator und Phasenregelschleife ein Filter angeordnet.

Eine Erhöhung der Leistung bei Vergrösserung der Belastung des Wandlers wird dadurch erreicht, dass die Sekundärwicklung des Transformators so auf den Wandlertyp abgestimmt ist, dass die elektrische Resonanzfrequenz des entstehenden Parallelschwingkreises bei Vergrösserung der Belastung des Wandlers verstimmt wird und dadurch eine Erhöhung der Spannung im Wandlerkreis bewirkt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass dem Wandler infolge der nur sehr kurzzeitig zugeführten Energieimpulse eine freie Schwingung mit seiner mechanischen Eigenfrequenz ermöglicht wird und dadurch,

auch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, stets eine optimale Zerstäubung gewährleistet ist. Bei einem vergleichsweise geringen Aufwand ergeben sich folgende, vorteilhafte und bisher nicht erreichte Eigenschaften der erfindungsgemässen Vorrichtung.

Der Zerstäuber schwingt aus jeder Lage und aus jedem angemessenen Belastungsverhältnis durch genügend Energieentzug aus dem Parallelschwingkreis sofort an, wenn er über einen Wobbier mit den kurzzeitigen Energieimpulsen beaufschlagt wird.

Das Zerstäubungssystem nimmt eine Leistung auf, die in einem weiten Betriebsbereich der pro Zeiteinheit zerstäubten Flüssigkeitsmenge proportional ist. Auch bei Änderung der Eigenschaften der zu zerstäubenden Flüssigkeit, wie Dichte oder Zähigkeit, passt sich die aufgenommene Leistung des Systems automatisch den Erfordernissen an. Der Wandler kann sich durch diese Eigenschaft des Oszillators bei Leerlauf, also ohne Flüssigkeitsdurchsatz, nicht unzulässig erwärmen, da die Leistungsaufnahme im Leerlauf automatisch geringer ist.

Die dem Schwingkreis zugeführte Pulsenergie ist in einem weiten Betriebsspannungsbereich unabhängig von der Betriebsspannung. Das bedeutet, dass das Zerstäubungssystem auch an stark schwankenden Stromversorgungen mit konstanter Leistung arbeitet.

Das Zerstäubungssystem ist durch die Erfindung auch für extrem tiefe Temperaturen bis -45°C geeignet.

Das Zerstäubungssystem arbeitet mit einem hohen Wirkungsgrad von ca. 85%.

Die von der Sekundärwicklung des Transformators zum

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Wandler führenden Leitungen tragen im wesentlichen sinusförmige Spannungen. Eine aufgrund der Vorschriften des Fernmeldetechnischen Zentralamtes der Deutschen Bundespost für Hochfrequenzgeräte eventuell notwendig werdende Entstörung wird deshalb nicht durch Oberwellenbildung erschwert.

Durch den im wesentlichen reinen Sinusverlauf der Wandlerschwingung werden im System vorhandene mechanische Schwingungsmoden unerwünschter höherer Frequenzen, welche nur Verluste erzeugen und nicht zur Zerstäubung beitragen, optimal unterdrückt.

Die Piezo-Scheiben des Wandlers werden wegen der freien elastischen Schwingung mit der mechanischen Eigenfrequenz des Wandlers nur sinusförmigen Wechseldrücken ausgesetzt. Dadurch wird die Lebensdauer der Scheiben gegenüber der Anregung mit z.B. rechteckförmigen Spannungen erhöht und eine durch Überlastung hervorgerufene Änderung der elektromecha-nischen Eigenschaften vermindert.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung und der schematischen Zeichnung, die ein Asführungsbeispiel darstellt, näher erläutert.

Ein Ultraschallwandler 1 bildet mit seiner Betriebsimpedanz und der Induktivität der Sekundärwicklung 2 eines Transformators 3 einen Parallelschwingkreis 4. Der Transformator 3 ist im Ausführungsbeispiel als Impulstransformator ausgebildet. Über die Primärwicklung 5 des Transformators 3 wird die zur Aufrechterhaltung der Schwingung notwendige Energie impulsför-mig eingespeist. Der Primärwicklung 5 ist ein Transistorschalter 6 zugeordnet. Die erforderlichen Ansteuerimpulse des Transistorschalters 6 werden von einer Phasenregelschleife 7 geliefert, die einen spannungsgesteuerten Oszillator 10 (VCO) und einen Phasenkomparator 11 enthält und durch eine handelsübliche Schaltanordnung aufgebaut ist. Zwischen Phasenregelschleife 7 und Transistorschalter 6 ist ein Treiber 8 angeordnet.

Zur Regelung und Anpassung des Systems an veränderte Betriebsbedingungen wird die Schwingfrequenz des Ultraschallwandlers 1 an einer Wicklung des Transformators 3 durch Messen des Spannungsverlaufes abgegriffen und einem Filter 9 zugeführt, das mit der Phasenregelschleife 7 verbunden ist. Das Filter 9 bewirkt eine Phasendrehung und Frequenzbeschneidung der gemessenen Schwingfrequenz. Danach wird die Messgrösse an die Phasenregelschleife 7 zu deren Synchronisation weitergeleitet.

Der Oszillator 10 der Phasenregelschleife 7 ist mit einem Wobbier 12 gekoppelt, der nur zum Auffinden der Eigenfrequenz des Ultraschallwandlers 1 dient. Bei noch nicht erfolgter

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Synchronisation der Phasenregelschleife 7, z.B. beim Einschalten oder bei einem plötzlichen, abrupten Lastwechsel am Ultraschallwandler 1, schaltet die Phasenregelschleife 7 den Wobbier 12 ein. Das gleiche gilt auch für den Fall, dass der Ultraschallwandler 1 beispielsweise durch einen restlichen Flüssigkeitstropfen auf der zerstäubenden Fläche vor dem Anschwingen stark bedämpft ist. Mit der sägezahnförmigen Ausgangsspannung des Wobbiers 12 wird die Frequenz des Oszillators 10 ebenfalls sä-gezahnförmig gewobbelt. Stimmt die Frequenz des Oszillators 10, beispielsweise nach erfolgter Abschüttlung des Flüssigkeitstropfens oder nach dem Anschwingen bei schon vorhandenem Flüssigkeitsdurchsatz, mit der Eigenfrequenz des Ultraschallwandlers 1 überein, so rastet die Phasenregelschleife 7 ein und sperrt den Wobbier 12. Die zur Aufrechterhaltung der Schwingung erforderliche Energie wird dann von der Phasenregelschleife 7 in Form von kurzzeitigen, phasenrichtigen Energieimpulsen erzeugt und über den Transistorschalter 6 und den Transformator 3 in den Parallelschwingkreis 4 nachgeliefert, in dem der Ultraschallwandler 1 frei schwingt. Der piezoelektrische Ultraschallwandler 1 arbeitet jetz stabil.

Tritt bei Temperatur- oder Belastungsänderungen eine Änderung der Wandlereigenschaften ein, so wird die dem geänderten Spannungsverlauf entsprechende Messgrösse von der Primärwicklung des Transformators 3 abgenommen und über das Filter 9 der Phasenregelschleife 7 zugeleitet. Mit Hilfe der gemessenen Regelgrösse werden die in der Phasenregelschleife 7 erzeugten Energieimpulse entsprechend aufbereitet und über den Transistorschalter 6 zur Regelung der Zerstäuberfrequenz und Zerstäuberleistung des Ultraschallwandlers 1 in den Parallelschwingkreis 4 geleitet.

Die Frequenz der Phasenregelschleife 7 dient im eingeschwungenen Zustand nur dazu, dem im Parallelschwingkreis 4 ungestört frei schwingenden Ultraschallwandler 1 zur richtigen Zeit, also phasenrichtig, einen sehr kurzzeitigen Energieimpuls zu liefern, um die durch die Zerstäubung abgegebene Energie auszugleichen. Dabei wird die Schwingung des Ultraschallwandlers 1 nicht beeinflusst und die Zerstäubung mit sich sinusförmig ändernden elektrischen und mechanischen Grössen infolge der freien Schwingung ermöglicht. Der Ultraschallwandler 1 schwingt in einer freien Sinusschwingung, die mechanisch durch die elastischen Wellen im Wandler und elektrisch durch die Grosssignalimpedanz des Wandlers, deren Imaginär- und Real-Teil von der Belastung abhängt, und von einer zugeschalteten Induktivität bestimmt ist.

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1 Blatt Zeichnungen

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1. Vorrichtung zum Betrieb eines piezoelektrischen Ultraschallwandlers, insbesondere für die Zerstäubung von Flüssigkeiten, in der ein Antriebskreis mit einem von einem Phasenregelkreis gesteuerten Oszillator zur Erzeugung und ein Transformator zur Übertragung der Anregungsenergie für den Wandler vorgesehen ist, und bei der eine der zur Nachführung des Oszillators benötigten Messgrössen an einer Wicklung des Transformators abgegriffen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsenergie dem Wandler (1) in Form kurzzeitiger Impulse zugeführt ist, dass der Antriebskreis zwischen den kurzzeitigen Impulsen abgetrennt ist, so dass während dieser Zeit aus der Induktivität der Sekundärwicklung (2) des Transformators (3) und der Betriebsimpedanz des Wandlers ein Parallelschwingkreis (4) gebildet wird, in dem der Wandler mit seiner mechanischen Eigenfrequenz frei schwingt, und dass der Spannungsverlauf an einer Wicklung des Transformators als Messgrösse zur phasenrichtigen Zuführung der Energieimpulse dient.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieimpulse über einen dem Transformator (3) vorgeschalteten Transistorschalter (6) dem Parallelschwingkreis (4) kurzzeitig zugeführt werden.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Transformator (3) und Phasenregel-schleife (7) ein Filter (9) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (2) des Transformators (3) so auf den Wandlertyp abgestimmt ist, dass die elektrische Resonanzfrequenz des entstehenden Parallelschwingkreises (4) bei Vergrösserung der Belastung des Wandlers (1) verstimmt wird und dadurch eine Erhöhung der Spannung im Wandlerkreis bewirkt.