CN105023569B - 一种超声系统谐振频率的调节装置及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声系统谐振频率调节装置，包括伸缩管、超声换能器、阻抗分析仪、DSP控制芯片和驱动装置，伸缩管的一端通过液体腔与反应装置连通，伸缩管的另一端连接有右法兰盘，右法兰盘与驱动装置的驱动端相连，右法兰盘可沿伸缩管的长度方向左右移动，带动伸缩管伸长或缩短；超声换能器与电源相连，超声换能器的声波发射端经右法兰盘插入伸缩管内，超声换能器与阻抗分析仪相连，阻抗分析仪与DSP控制芯片相连，DSP控制芯片与驱动装置相连。本发明还公开了一种超声系统谐振频率调节方法。本发明调节伸缩管的长度来改变系统的谐振频率，与超声换能器的工作频率一致，反应装置中的反应液达到谐振状态，超声的搅拌、活化等效应显著。

Description

一种超声系统谐振频率的调节装置及调节方法

技术领域

本发明涉及液体超声波技术领域，具体涉及一种超声系统谐振频率的调节装置及调节方法。

背景技术

超声波作用在液体中时，会产生机械搅拌、粉碎、活化等多重效应，因此其广泛应用于医药、食品、石油等各化工领域，例如超声波反应釜、超声波清洗、超声波空泡炼油等。

目前，大部分的液体超声加载方法都是通过超声换能器直接向目标液体中辐射超声波能量。但是，在实际应用中，液体的各种属性参数等都会实时发生变化。比如，反应釜在工作时，内部反应物和生成物的浓度、温度、压力等因素都会发生变化；清洗槽中清洗液和清洗工件的更换，也会造成液体密度和液面高度的变化。这些因素都会直接改变目标液体的固有频率f ₀ ，超声换能器与液体处于非谐振状态，即两者的阻抗不匹配，会产生较大的负面影响，主要有以下几点：1.超声换能器发出的超声波能量被大量反射回来，造成能量浪费，系统能量效率低下；2.目标液体无法充分吸收超声波能量，超声搅拌、活化等效应不明显，直接影响超声作用的效果；3.换能器产生的能量大量耗散在液腔外壳、换能器连接处等硬件上，加速了设备的疲劳和受损。现有的超声波换能器装置基本无法解决换能器和反应液之间阻抗不匹配问题。为了加强超声的作用，部分厂家单方面提高超声换能器输出的超声波强度，由此更加突出了能量浪费和设备损耗等弊端；部分厂家在液体腔体外分布多个不同频率的超声换能器，但有多个换能器并未同时处于有效的工作状态；部分厂家直接改变换能器上输入电信号的频率，但是由于压电陶瓷本身的谐振频宽很窄，这种措施的变频范围是极其有限的。因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明的所要解决的问题是，针对上述技术的不足，提供一种可实时维持系统谐振状态的超声系统谐振频率的调节装置及调节方法。

本发明采用的技术方案是：一种超声系统谐振频率调节装置，包括伸缩管、超声换能器、阻抗分析仪、DSP控制芯片和驱动装置，所述伸缩管的一端通过液体腔与反应装置连通，伸缩管的另一端连接有右法兰盘，右法兰盘与驱动装置的驱动端相连，右法兰盘可沿伸缩管的长度方向左右移动，带动伸缩管伸长或缩短；所述超声换能器与电源相连，超声换能器的超声发射端经右法兰盘插入伸缩管内，超声换能器与阻抗分析仪相连，阻抗分析仪与DSP控制芯片相连，DSP控制芯片与驱动装置相连；其中，阻抗分析仪用于实时监测整个系统的谐振频率，并将频率信号发送至DSP控制芯片；DSP控制芯片用于对比分析系统的谐振频率与超声换能器的工作频率，计算两者的频率差值，并将其转化为驱动装置可识别的驱动信号，发送至驱动装置。

按上述方案，所述驱动装置包括驱动器、电机和滑块，所述驱动器与电机相连，驱动器驱动电机的电机轴穿过滑块，电机轴上的外螺纹与滑块的内螺纹相配置；所述滑块与右法兰盘固定连接；所述驱动器与DSP控制芯片相连，接收驱动信号。

按上述方案，所述伸缩管的底部安设有滑轨，伸缩管可沿滑轨伸缩。

按上述方案，在伸缩管与滑轨之间的间隙内填充润滑液。

按上述方案，所述伸缩管为波纹管。

按上述方案，所述右法兰盘与超声换能器的超声发射端通过密封圈密封。

按上述方案，所述伸缩管通过左法兰盘与液体腔连接。

一种超声系统谐振频率调节方法，包括以下步骤：

步骤一，待反应装置内的反应液经液体腔充满伸缩管后，超声换能器加载工作信号，超能换能器的超声发射端通过伸缩管向液体腔发射超声波；

步骤二、阻抗分析仪监测分析系统的谐振频率，并将频率信号发送至DSP控制芯片；

步骤三、DSP控制芯片接收频率，对系统的谐振频率和超声换能器的工作频率进行分析计算，若系统的谐振频率与超声换能器的工作频率之间的频率差值处于可接受的范围，DSP控制芯片不向驱动装置的驱动器发送驱动信号；若系统的谐振频率与超声换能器的工作频率之间的差值处于不可接受的范围，DSP控制芯片根据该差值进行处理，并将处理结果转换为驱动器可识别的驱动信号发送至驱动器；

步骤四、驱动器接收驱动信号后驱动电机工作，使伸缩管的长度发生变化，系统频率随之变化；

步骤五，阻抗分析仪获得新的系统的谐振频率信号，步骤二至步骤四循环进行，直至系统的谐振频率与超声换能器的工作频率的差值处于可接受的范围，反应装置中的反应液达到谐振状态，

按上述方案，DSP控制芯片的具体工作过程为：在DSP控制芯片中设置可接受的系统谐振频率与超声换能器的工作频率差值x，DSP控制芯片接收到谐振振频率为a，超声换能器的工作频率为b，

若两者的频率差值x1的绝对值小于x，整个系统已接近谐振状态，DSP控制芯片不向驱动装置发送驱动信号，若x1的绝对值大于x，DSP控制芯片向驱动装置的驱动器发出初始步数为z的驱动信号，驱动装置的电机按步数z工作，DSP控制芯片再次接收新的频率并分析计算，得到两频率的差值x2； 若x2的绝对值小于x，DSP控制芯片不向驱动器发送驱动信号，若x2的绝对值大于x，DSP控制芯片持续向驱动器发出初始步数z的驱动信号，直至计算得到与x2正负相反的新的频率差值x3；

若x3的绝对值小于x，DSP控制芯片不向驱动器发送驱动信号，若x2的绝对值大于x，DSP控制芯片持续向驱动器发出步数减半且转动方向相反的驱动信号，即电机以一半的初始步数反向运转，直到DSP控制芯片再次计算得到与x3正负相反的新的频率差值x4；

若x4的绝对值小于x，DSP控制芯片不向驱动器发送驱动信号，若x4的绝对值大于x，DSP控制芯片向驱动器发出步数再次减半的驱动信号，直至其获得的频率的差值x5再次发生正负改变；以上过程持续进行，直到DSP控制芯片获得的频率差值的绝对值小于x，整个系统接近谐振状态。

本发明的工作原理为：超声换能器的工作频率不变，在实际应用中，整个超声系统的谐振频率实时改变，与超能换能器的工作频率之间存在差值；阻抗分析仪监测整个系统的频率并将频率信号发送至DSP控制芯片；DSP控制芯片计算系统的谐振频率与超声系统的工作频率的差值，并根据差值控制驱动装置的操作，伸缩管的长度随之改变，达到改变系统的谐振频率的目的。调节伸缩管的长度，改变系统的谐振频率，其原理是：超声换能器通过伸缩管内的反应液向液体腔辐射超声波能量，伸缩管长度改变时，超声换能器对液体腔的作用距离发生了改变，系统的谐振频率也会发生相应的变化。依据声学相关知识，作用距离缩短，系统的谐振频率会升高；相反地，作用距离增大，系统的谐振频率会下降。通过控制伸缩管的长度来调节系统的谐振频率，使其与超声换能器的工作频率接近，则整个系统处于谐振状态。

与现有技术相比，本发明从根本上克服了现有技术中超声换能器与反应液之间阻抗不匹配、无法保持谐振的缺陷，通过调节伸缩管的长度来调整系统的谐振频率，与超声换能器的工作频率一致，使反应装置中的反应液达到谐振状态，加强了超声的作用效果，使超声的搅拌、活化等效应达到最佳，这种机械式的结构大大提高了工作效率，同时也避免了现有技术单纯通过增加超声能量而引起的超声能量的浪费，减弱了超声能量对设备的损耗；本发明结构简单合理，效果显著，在多领域均可利用，值得推广。

附图说明

图1为本发明中超声系统谐振频率调节方法的流程图。

图2为本发明中一个具体实施例的结构示意图。

图3为本实施例超声发射装置的剖视图。

其中：1、进料口；2、搅拌电机；3、釜体；4、出料口；5、左法兰盘；6、波纹管；7、滑块；8、电机；9、驱动器；10、DSP控制芯片；11、滑轨；12、超声换能器；13、阻抗分析仪；14、液体腔；15、反应液；16、润滑液；17、O型密封圈；18、右法兰盘；19、驱动轴。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图1和图2所示的一种超声系统谐振频率调节装置，包括伸缩管、超声换能器12、阻抗分析仪13、DSP控制芯片10和驱动装置，本实施例中采用的伸缩管为波纹管6，波纹管6的一端通过液体腔14与反应装置连通，波纹管6的另一端连接有右法兰盘18，右法兰盘18与驱动装置的驱动端相连，右法兰盘18可左右移动，带动波纹管6伸长或缩短；超声换能器12的超声发射端经右法兰盘18插入波纹管6内，并通过O型密封圈17进行密封处理；超声换能器12的电气端与阻抗分析仪13相连，阻抗分析仪13与DSP控制芯片10相连，DSP控制芯片10与驱动装置相连；其中，阻抗分析仪13用于实时分析整个系统的谐振频率，并将频率信号发送至DSP控制芯片10；DSP控制芯片10用于分析系统的谐振频率与超声换能器的工作频率，计算两者的频率差值，并将其转化为驱动装置可识别的驱动信号，发送至驱动装置。

本实施例中，驱动装置包括驱动器9、电机8和滑块7，驱动器9与电机8相连，控制电机8工作；电机8的驱动轴19穿过滑块7，驱动轴19上的外螺纹与滑块7的内螺纹相配置；滑块7与右法兰盘18固定连接，电机8的驱动轴19转动时，滑块7带动右法兰盘18左右移动，波纹管6随之伸长或缩短；驱动器9与DSP控制芯片10相连，接收DSP控制芯片10发送的驱动信号，控制电机8的转速和转动方向等。

本实施例中，波纹管6的底部安设有滑轨11，防止波纹管6在反应液15的重力作用下使波纹管6下垂变形；波纹管6与滑轨11之间的间隙内填充有润滑液16，以减少波纹管6在伸缩过程中产生的磨损；液体腔14的左端与反应装置连通，右端通过左法兰盘5与波纹管6连通。

本发明适用于超声波反应釜、超声波清洗槽、超声空泡炼油等各种液体超声应用领域，本实施例中反应装置为反应釜，如图2所示，反应釜釜体3的结构可采用现有产品的结构形式，釜体3上分别设有进料口1、搅拌电机2、出料口4等，釜体1内部设有电加热加压装置及温度表压力表等附属设备。

一种超声系统谐振平率调节方法，具体过程图下：

步骤一，待反应釜内的反应液15经液体腔14充满波纹管6后，超声换能器13加载工作信号，超能换能器13的发射端发射超声波；

步骤二、阻抗分析仪13监测分析系统的谐振频率，并将频率信号发送至DSP控制芯片10；

步骤三、DSP控制芯片10接收频率，对系统的谐振频率和超声换能器12的工作频率进行分析计算，若系统的谐振频率与超声换能器12的工作频率之间的频率差值处于可接受的范围，DSP控制芯片10不向驱动器9发送驱动信号；若系统的谐振频率与超声换能器12的工作频率之间的差值处于不可接受的范围，DSP控制芯片10根据该差值进行处理，并将处理结果转换为驱动器9可识别的驱动信号发送至驱动器9；

步骤四、驱动器9接收信号后驱动电机8工作，使波纹管6的长度发生变化，系统的谐振频率随之变化；

步骤五，阻抗分析仪13获得新的系统的谐振频率信号，步骤二至步骤四循环进行，直至系统的谐振频率与超声换能器12的工作频率的差值处于可接受的范围，反应釜中的反应液15达到谐振状态。

DSP控制芯片10的具体工作过程：假设，系统的谐振频率与超声换能器的工作频率之间的差值小于0.1KHz时，整个系统可视为谐振状态。首先，在DSP控制芯片10中设置可接受的系统的谐振频率与超声换能器12的工作频率的差值为0.1KHz，DSP控制芯片10接收到系统的谐振频率为42.8KHz，超声换能器12的工作频率为40KHz，则两者的频率差值为2.8KHz，超出可接受的范围，此时，DSP控制芯片10会向驱动器9发出初始步数为500的驱动信号，电机8按步数500工作，DSP控制芯片10再次接收频率并分析计算，得到的频率差值为1.7KHz，超出可接受的范围；接着，DSP控制芯片10持续向驱动器9发出初始步数500的驱动信号，直至计算得到的频率差值与1.7KHz的正负相反；然后，DSP控制芯片10持续向驱动器9发出步数减半且转动方向相反的驱动信号，即电机8以步数250反向运转，直到DSP控制芯片10计算得出两者的频率差值与上一次频率的差值正负相反，若该频率差值仍不处于可接受的范围，DSP控制芯片10向驱动器9发出步数再次减半的驱动信号，即电机8以步数250反向运转，两频率的差值与上一频率的差值再次发生正负改变；以上过程持续进行，直到DSP控制芯片10计算得到的频率差值的绝对值小于0.1KHz时，整个系统接近谐振状态，DSP控制芯片10不再发出控制驱动装置的信号。

在实际应用中，随着反应的进行，整个系统的谐振频率会实时改变。所以，上述调节过程可以循环进行，使得整个系统实时保持谐振状态，反应液超声的搅拌、活化等效应一直保持最佳。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超声系统谐振频率调节装置，其特征在于，包括伸缩管、超声换能器、阻抗分析仪、DSP控制芯片和驱动装置，所述伸缩管的一端通过液体腔与反应装置连通，伸缩管的另一端连接有右法兰盘，右法兰盘与驱动装置的驱动端相连，右法兰盘可沿伸缩管的长度方向左右移动，带动伸缩管伸长或缩短；所述超声换能器与电源相连，超声换能器的超声发射端经右法兰盘插入伸缩管内，超声换能器与阻抗分析仪相连，阻抗分析仪与DSP控制芯片相连，DSP控制芯片与驱动装置相连；

其中，阻抗分析仪用于实时监测整个系统的谐振频率，并将频率信号发送至DSP控制芯片；

DSP控制芯片用于对比分析系统的谐振频率与超声换能器的工作频率，计算两者的频率差值，并将其转化为驱动装置可识别的驱动信号，发送至驱动装置。

2.如权利要求1所述的一种超声系统谐振频率调节装置，其特征在于，所述驱动装置包括驱动器、电机和滑块，所述驱动器与电机相连，驱动器驱动电机的电机轴穿过滑块，电机轴上的外螺纹与滑块的内螺纹相配置；所述滑块与右法兰盘固定连接；所述驱动器与DSP控制芯片相连，接收驱动信号。

3.如权利要求1所述的一种超声系统谐振频率调节装置，其特征在于，所述伸缩管的底部安设有滑轨，伸缩管可沿滑轨伸缩。

4.如权利要求3所述的一种超声系统谐振频率调节装置，其特征在于，在伸缩管与滑轨之间的间隙内填充润滑液。

5.如权利要求1所述的一种超声系统谐振频率调节装置，其特征在于，所述伸缩管为波纹管。

6.如权利要求1所述的一种超声系统谐振频率调节装置，其特征在于，所述右法兰盘与超声换能器的超声发射端通过密封圈密封。

7.如权利要求1所述的一种超声系统谐振频率调节装置，其特征在于，所述伸缩管通过左法兰盘与液体腔连接。

8.一种超声系统谐振频率调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，待反应装置内的反应液经液体腔充满伸缩管后，超声换能器加载工作信号，超能换能器的超声发射端通过伸缩管向液体腔发射超声波；

步骤二、阻抗分析仪监测分析系统的谐振频率，并将频率信号发送至DSP控制芯片；

步骤三、DSP控制芯片接收频率，对系统的谐振频率和超声换能器的工作频率进行分析计算，若系统的谐振频率与超声换能器的工作频率之间的频率差值处于可接受的范围，DSP控制芯片不向驱动装置的驱动器发送驱动信号；若系统的谐振频率与超声换能器的工作频率之间的差值处于不可接受的范围，DSP控制芯片根据该差值进行处理，并将处理结果转换为驱动器可识别的驱动信号；

步骤四、驱动器接收驱动信号后驱动电机工作，使伸缩管的长度发生变化，系统频率随之变化；

步骤五，阻抗分析仪获得新的系统的谐振频率信号，步骤二至步骤四循环进行，直至系统的谐振频率与超声换能器的工作频率的差值处于可接受的范围，反应装置中的反应液达到谐振状态。

9.如权利要求8所述的一种超声系统谐振频率调节方法，其特征在于，DSP控制芯片的具体工作过程为：在DSP控制芯片中设置可接受的系统的谐振频率与超声换能器的工作频率差值x，DSP控制芯片接收到谐振振频率为a，超声换能器的工作频率为b，若两者的频率差值x1的绝对值小于x，整个系统已接近谐振状态，DSP控制芯片不向驱动装置发送驱动信号，若x1的绝对值大于x，DSP控制芯片向驱动装置的驱动器发出初始步数为z的驱动信号，驱动装置的电机按步数z工作，DSP控制芯片再次接收新的频率并分析计算，得到两频率的差值x2； 若x2的绝对值小于x，DSP控制芯片不向驱动器发送驱动信号，若x2的绝对值大于x，DSP控制芯片持续向驱动器发出初始步数z的驱动信号，直至得到与x2正负相反的新的频率差值x3；

若x3的绝对值小于x，DSP控制芯片不向驱动器发送驱动信号，若x2的绝对值大于x，DSP控制芯片持续向驱动器发出步数减半且转动方向相反的驱动信号，即电机以一半的初始步数反向运转，直到DSP控制芯片再次计算得到与x3正负相反的新的频率差值x4；

若x4的绝对值小于x，DSP控制芯片不向驱动器发送驱动信号，若x4的绝对值大于x，DSP控制芯片向驱动器发出步数再次减半的驱动信号，直至其获得的频率的差值x5再次发生正负改变；以上过程持续进行，直到DSP控制芯片获得的频率差值的绝对值小于x，整个系统接近谐振状态。