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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zum Betreiben eines Ultraschallgeräts mit mindestens einem Ultraschallgenerator und mindestens einem Ultraschallschwinger, welcher Ultraschallschwinger von dem Ultraschallgenerator zum mechanischen Schwingen angeregt wird, wobei der Ultraschallschwinger eine elektrische Leistung aufnimmt und in Form mechanischer Leistung zumindest teilweise an ein vorzugsweise flüssiges Medium abgibt.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schutzschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 für ein Ultraschallgerät, welches einen Ultraschallgenerator zum Betreiben mindestens eines Ultraschallschwingers aufweist, wobei der Ultraschallschwinger von dem Ultraschallgenerator eine elektrische Leistung aufnimmt und zumindest teilweise in Form von mechanischer Leistung wieder abgibt.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Ultraschallgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 14 mit mindestens einem Ultraschallgenerator und mindestens einem Ultraschallschwinger, welcher Ultraschallschwinger von dem Ultraschallgenerator zum Schwingen anregbar ist, wobei ein elektrischer Strom fließt und wobei der Ultraschallschwinger eine elektrische Leistung aufnimmt und in Form von mechanischer Leistung zumindest teilweise an ein vorzugsweise flüssiges Medium abgibt.
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Ultraschallschwinger, die in flüssigen Medien betrieben werden, sind zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs meist zwingend auf das Vorhandensein einer Flüssigkeit bzw. eines flüssigen Mediums angewiesen, welche zumindest die aktive, schallabstrahlende Seite des Ultraschallschwingers bedeckt. ist eine solche Flüssigkeitsbedeckung nicht oder nur unvollständig gegeben, entfällt für den betreffenden Ultraschallschwinger bzw. die darin enthaltene Ultraschallschwingelemente die Flüssigkeitsbedämpfung oder Flüssigkeitsbelastung, so dass die vom Generator abgegebene elektrische Leistung beinahe vollständig im Ultraschallschwinger als Verlustleistung in Wärme umgewandelt wird. Dies führt nach kurzer Zeit zur Überhitzung und Zerstörung des im Schwinger regelmäßig vorhandenen piezoelektrischen Keramiken.
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Die vorstehend beschriebene Problematik tritt insbesondere im Falle eines Trockenlaufs des Ultraschallgeräts auf. Um einen solchen zu vermeiden, werden heutzutage regelmäßig externe Messeinrichtungen, wie Füllstandsschalter oder dergleichen, vorgesehen, die einen Betrieb des Ultraschallgeräts verhindern, falls die Gefahr eines Trockenlaufs besteht. Dies verursacht einen erhöhten Fertigungs- bzw. Kostenaufwand.
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Eine andere Art der Beschädigung, welche bei vorbekannten Ultraschallgeräten der eingangs genannten Art regelmäßig auftritt, ist die Ablösung der bereits erwähnten Ultraschallschwingelemente von einer Schwingmembrane, mit welcher die Ultraschallschwingelemente in der Regel durch Verkleben, Verlöten, Verschweißen oder Verschrauben verbunden sind. In der Praxis kann eine solche Schwingelementablösung insbesondere auf alterungsbedingte Effekte oder auf Überhitzung, beispielsweise durch Einfüllen einer zu heißen Flüssigkeit in das Ultraschallgerät, zurückzuführen sein.
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Da es sich bei der genannten Schwingelementablösung um einen schleichenden Prozess handelt, der erst nach langer Betriebsdauer des Ultraschallgeräts, in der Regel erst nach einigen Jahren, auftritt, ist er meist schwer detektierbar. Zur Überprüfung werden in der Praxis die Ultraschallschwinger ausgebaut und durch Schütteln akustisch dahingehend überprüft, ob die Schwingelemente bereits abgefallen sind, was sich durch ein Klappern oder Rasseln bemerkbar macht. Eine derartige Überprüfung ist zeit- und kostenintensiv und bietet in der Regel keine Gewähr dafür, dass sich ein Schwingelement nicht unmittelbar im Anschluss an eine derartige Überprüfung doch noch ablöst. Außerdem kann ein fehlendes Erkennen der Schwingelementablösung im Betrieb ebenfalls zu erhöhter Verlustleistung und schnell fortschreitender Beschädigung des Ultraschallschwingers führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallgerät der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu dessen Betrieb dahingehend weiterzubilden, dass eine erhöhte Betriebssicherheit des Ultraschallgeräts erreicht wird, ohne dass zu diesem Zweck externe Einrichtungen zur Realisierung eines Trockenlaufschutzes oder zeit- und kostenintensive Überprüfungen der Ultraschallschwinger auf Ablösung der Schwingelemente erforderlich wären.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Verfahrens zum Betreiben eines Ultraschallgeräts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, mittels einer Schutzschaltung für ein Ultraschallgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Ultraschallgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der genannten Aspekte der Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen, deren Wortlaut hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird, um unnötige Textwiederholungen nach Möglichkeit zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallgeräts mit mindestens einem Ultraschallgenerator und mindestens einem Ultraschallschwinger, welcher Ultraschallschwinger von dem Ultraschallgenerator zum Schwingen angeregt wird, wobei der Ultraschallschwinger eine elektrische Leistung aufnimmt und in Form von mechanischer Leistung zumindest teilweise an ein vorzugsweise flüssiges Medium abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ultraschallgenerator ein Blindleistungsanteil der an den Ultraschallschwinger abgegebenen Scheinleistung überwacht wird, indem ein negativer Signalanteil eines der Scheinleistung entsprechenden Signals gewonnen wird, der dem Blindleistungsanteil entspricht, und dass in Abhängigkeit von einer Veränderung des Blindleistungsanteils ein Betriebszustand des Ultraschallgeräts derart modifiziert wird, dass eine Fehlfunktion erkannt und/oder vermieden wird.
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Erfindungsgemäß ist eine Schutzschaltung für ein Ultraschallgerät, welches einen Ultraschallgenerator zum Betreiben mindestens eines Ultraschallschwingers aufweist, wobei der Ultraschallschwinger von dem Ultraschallgenerator eine elektrische Leistung aufnimmt und in Form von mechanischer Leistung zumindest teilweise wieder abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung dazu ausgebildet ist, einen Blindleistungsanteil der an den Ultraschallschwinger abgegebenen Scheinleistung zu überwachen und und dazu ein elektrisches Ventilmittel, vorzugsweise eine Diode, aufweist, welches Ventilmittel zum Gewinnen eines negativen Signalanteils eines der Scheinleistung entsprechenden Signals ausgebildet ist, der dem Blindleistungsanteil entspricht, und die Schutzschaltung weiter dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Veränderung des Blindleistungsanteils ein Steuersignal zu erzeugen, welches Steuersignal in dem Ultraschallgerät zum Erkennen und/oder Vermeiden einer Fehlfunktion durch Modifizieren eines Betriebszustands des Ultraschallgeräts schaltungstechnisch nutzbar ist.
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Erfindungsgemäß ist ein Ultraschallgerät mit mindestens einem Ultraschallgenerator und mindestens einem Ultraschallschwinger, welcher Ultraschallschwinger von dem Ultraschallgenerator zum Schwingen anregbar ist, wobei ein elektrischer Strom fließt und wobei der Ultraschallschwinger eine elektrische Leistung aufnimmt und in Form von mechanischer Leistung zumindest teilweise an ein vorzugsweise flüssiges Medium abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ultraschallgenerator oder in Wirkverbindung mit dem Ultraschallgenerator eine Schutzschaltung vorgesehen ist, welche Schutzschaltung dazu ausgebildet ist, einen Blindleistungsanteil der an den Ultraschallschwinger abgegebenen Scheinleistung zu überwachen und dazu ein elektrisches Ventilmittel, vorzugsweise Diode, aufweist, welches Ventilmittel zum Gewinnen eines negativen Signalanteils eines der Scheinleistung entsprechenden Signals ausgebildet ist, der dem Blindleistungsanteil entspricht, und die Schutzschaltung weiter dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Veränderung des Blindleistungsanteils ein Steuersignal zu erzeugen, welches Steuersignal in dem Ultraschallgerät zum Erkennen und/oder Vermeiden einer Fehlfunktion durch Modifizieren eines Betriebszustands des Ultraschallgeräts schaltungstechnisch nutzbar ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis der Anmelderin zugrunde, dass eine Bestimmung und Auswertung des Blindleistungsanteils der vom Ultraschallgenerator an den Ultraschallschwinger abgegebenen (Schein-)Leistung – vorzugsweise dessen Veränderung, beispielsweise gegenüber einem Referenzwert – dazu verwendet werden kann, im Zuge eines gemeinsamen erfinderischen Ansatzes die weiter oben beschriebenen Problemsituationen im Betrieb sicher zu erkennen und beispielsweise eine Abschaltung des Ultraschallgeräts zu veranlassen, bevor es zu einer ernsthaften oder fortschreitenden Beschädigung desselben kommen kann.
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Im Normalbetriebszustand des Ultraschallgeräts, wenn sich also der Ultraschallschwinger in einer ausreichenden Menge an fluidem Medium befindet bzw. die Ultraschallschwingelemente des Ultraschallschwingers ausreichend an der Schwingmembrane befestigt sind, wird ein großer Anteil der vom Ultraschallgenerator bereitgestellten Scheinleistung als reale Wirkleistung an den Ultraschallschwinger und damit an das flüssige Medium abgegeben. in diesem Zusammenhang ist dem Fachmann bekannt, dass beim Betreiben eines Geräts mit Wechselstrom (I) bzw. Wechselspannung (U) regelmäßig nur ein bestimmter Anteil der momentanen Scheinleistung S = U × I tatsächlich als so genannte Wirkleistung zur Verfügung steht und zum Verrichten von Arbeit verwendet werden kann. Regelmäßig liegt ein bestimmter Anteil der Scheinleistung als so genannte Blindleistung vor und ist entsprechend nicht praktisch nutzbar.
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Insbesondere bei Trockenlauf des Ultraschallgeräts ist der Ultraschallschwinger nicht mehr in der Lage, in dem Maße Wirkleistung an das vorzugsweise flüssige Medium abzugeben, wie es im Normalbetrieb möglich wäre. In der Folge steigt im Ultraschallgenerator der Blindleistungsanteil messbar an. Der gleiche Sachverhalt ergibt sich im Falle einer (schleichenden) Ablösung der Ultraschallschwingelemente, wie weiter oben beschrieben. Auch in diesem Falle steigt der Blindleistungsanteil an der Scheinleistung zu ungunsten des Wirkleistungsanteils an. Durch Erfassung und Auswertung des Blindleistungsanteils ist es daher möglich, die vorstehend detailliert beschriebenen Fehlfunktionen eines Ultraschallgeräts im Rahmen einer gemeinsamen erfinderischen Idee zu erkennen und zu vermeiden.
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Die Auswertung erfolgt vorteilhafterweise in Echtzeit und kann im Rahmen einer entsprechenden Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schutzschaltung unmittelbar steuerungstechnisch auf das Ultraschallgerät einwirken, und dieses beispielsweise bei Auftreten einer Fehlfunktion außer Betrieb zu setzen. Auf externe Maßnahmen, wie Füllstandsschalter oder dergleichen, kann in diesem Zusammenhang vollständig verzichtet werden.
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Der schaltungstechnische Aufwand hält sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung relativ in Grenzen, da gewisse schaltungstechnische Bestandteile im Zusammenhang mit der Leistungsbestimmung in vorbekannten Ultraschallgeräten bereits vorhanden sind, da sie als Bestandteil der Leistungsregelung des Ultraschallgenerators fungieren. Wie der Fachmann weiß, kann die Implementierung der erfindungsgemäßen Funktionalitäten auch wenigstens teilweise digital erfolgen, wobei Spannungs- und Stromsignal digital gewandelt und anschließend durch einen Mikrocontroller verarbeitet werden.
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Im Rahmen einer bestimmten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Blindleistungsanteil während des fehlerfreien Normalbetriebs des Ultraschallgeräts erfasst, was in der Praxis nur kleinen oder sogar verschwindenden Blindleistungsanteil bedeutet. Dieser Blindleistungsanteil im Normalbetrieb lässt sich als Referenz bzw. Referenzwert verwenden, um anschließend durch Vergleichsbestimmungen gegenüber der Referenz während des laufenden Betriebs des Ultraschallgeräts ein Ansteigen des Blindleistungsanteils zu erkennen.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, die Änderung des Blindleistungsanteils zeitaufgelöst zu erfassen, um auf diese Weise zwischen den weiter oben beschriebenen Problemzuständen (Trockenlauf mit schlagartiger Erhöhung des Blindleistungsanteils bzw. Schwingelementablösung mit schleichender Erhöhung des Blindleistungsanteils) unterscheiden zu können.
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Im Zuge einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei einem Anstieg des Blindleistungsanteil über einen Schwellwert das Ultraschallgerät abgeschaltet und/oder ein entsprechendes Anzeigesignal ausgegeben wird. Bei dem genannten Anzeigesignal kann es sich um ein optisches und/oder ein akustisches Anzeigesignal als Warnsignal für eine Bedienperson handeln. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein elektronischer Logbuch-Eintrag oder dergleichen vorgenommen werden.
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Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zur Überwachung und Auswertung des Blindleistungsanteils Strom und Spannung an einem Ausgang des Ultraschallgenerators in Richtung des Ultraschallschwingers gemessen und die Messwerte zur Bestimmung der Scheinleistung miteinander multipliziert werden.
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In diesem Zusammenhang sieht eine entsprechende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schutzschaltung vor, dass diese wenigstens ein Multipliziermittel zum Ermitteln der Scheinleistung aus einer an dem Ultraschallgenerator, vorzugsweise an dessen Ausgang, messbaren Spannung und einem an dem Ultraschallgenerator, vorzugsweise an dessen Ausgang, messbaren Strom aufweist. Da ein solches Multipliziermittel bereits als Teil eines Leistungsregelkreises in dem Ultraschallgerät enthalten sein kann, ist hiermit unter Umständen kein zusätzlicher apparativer Aufwand verbunden.
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Eine wieder andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der gewonnene Signalanteil (Blindleistungsanteil) vor der Auswertung gefiltert wird, vorzugsweise elektrisch, höchst vorzugsweise unter Verwendung eines Tiefpassfilters, und/oder dass der gewonnene Signalanteil vor der Auswertung anderweitig signaltechnisch aufbereitet wird, vorzugsweise verstärkt und/oder in seiner Spannung invertiert.
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Eine entsprechende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schutzschaltung sehen vor, dass diese wenigstens ein elektrisches Filtermittel, vorzugsweise (aktiver) Tiefpass, höchst vorzugsweise in Form eines RC-Glieds, aufweist, welches Filtermittel dem genannten elektrischen Ventilmittel nachgeschaltet sein kann.
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Eine wieder andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schutzschaltung sieht vor, dass diese wenigstens ein elektrisches Verstärkermittel aufweist, vorzugsweise in Form eines spannungsinvertierenden Verstärkers, welches Verstärkermittel dem genannten Ventilmittel und/oder dem genannten Filtermittel nachgeschaltet sein kann.
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Eine zusätzliche Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht noch vor, dass der gewonnene Signalanteil mit einem Referenzwert verglichen wird und dass ein dem Vergleichsergebnis entsprechendes Steuersignal zum Einwirken auf den Betriebszustand des Ultraschallgeräts verwendet wird.
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Eine entsprechende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schutzschaltung sieht vor, dass diese wenigstens ein elektrisches Vergleichmittel umfasst, vorzugsweise in Form eines Komperators, welches Vergleichmittel dem genannten Ventilmittel und/oder dem genannten Filtermittel und/oder dem genannten Verstärkermittel nachgeschaltet sein kann.
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Nachfolgend werden bestimmte Ausgestaltungen der Erfindung anhand analoger Schaltungen näher beschrieben. Es liegt hier für den Fachmann unmittelbar auf der Hand, dass sich die beschriebenen Funktionalitäten auch mit Hilfe digitaler Schaltungsanordnungen realisieren lassen. Hierzu werden die vorhandenen analogen Signale, insbesondere analoge Stromstärke- und Spannungssignale, mittels geeigneter Analog-Digitai-Wandler (ADC) in entsprechende digitale Signale gewandelt, welche anschließend in geeigneter Weise digital weiterverarbeitet werden können, beispielsweise mittels eines Mikroprozessors, eines Mikrocontrollers oder eines digitalen Signalprozessors (DSP), wodurch sich dieselben Funktionalitäten erreichen lassen, wie nachfolgend beschrieben. Selbstverständlich liegen derartige Ausgestaltungen ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die angehängten Patentansprüche definiert ist. Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ultraschallgeräts, welches eine erfindungsgemäße Schutzschaltung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst;
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2a zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Scheinleistung (Wirkleistung) bei ordnungsgemäßem Betrieb des Ultraschallgeräts gemäß 1; und
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2b zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Scheinleistung mit nicht vernachlässigbarem Bildleistungsanteil im Falle eines fehlerhaften Betriebs des Ultraschallgeräts gemäß 1.
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1 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallgeräts, welches in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Das Ultraschallgerät 1 umfasst einen Ultraschallgenerator 2, der mittels einer gestrichelten Box symbolisiert ist. Der Ultraschallgenerator 2 steht in elektrisch-signaltechnischer Wirkverbindung mit wenigstens einem Ultraschallschwinger 3, der sich in einem Behältnis oder Tank 4 befindet, welches Behältnis 4 zumindest teilweise mit einem flüssigen Medium 5, beispielsweise einem Reinigungsmedium gefüllt ist. Der Ultraschallschwinger 3 umfasst gemäß der schematischen Darstellung in 1 eine Anzahl von Ultraschallschwingelementen 3a, insbesondere unter Verwendung von piezokeramischer Scheiben, die mit einer Schwingmembrane 3b verbunden sind. Bei der genannten Verbindung kann es sich um eine Klebeverbindung, eine Lötverbindung, eine Schweißverbindung oder eine Schraubverbindung handeln, ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre. Speziell kann der Ultraschallschwinger 3 als Stabschwinger ausgebildet sein.
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Innerhalb des Ultraschallgenerators 2 weist das Ultraschallgerät 1 eine Schutzschaltung 6 auf, welche mittels einer strichpunktierten Box symbolisiert ist und nachfolgend genauer erläutert wird. Die Schutzschaltung 6 umfasst zunächst einen Multiplizierer 6a, der als U × I-Multiplizierer ausgebildet ist und an dessen Eingängen diejenige elektrische Spannung U und derjenige elektrische Strom I anliegen, welche der Ultraschallgenerator 2 im Betrieb des Ultraschallgeräts 1 an den Ultraschallschwinger 3 liefert, wie in 1 dargestellt. Da der Multiplizierer 6a auch bei herkömmlichen Ultraschallgeräten zwecks Leistungsregelung des Ultraschallgenerators 2 vorhanden sein kann, ist er gemäß der Darstellung in 1 nur „zur Hälfte” der Schutzschaltung 6 zugerechnet worden, wie durch den Verlauf der strichpunktierten Linie symbolisiert ist. Der Multiplizierer 6a multipliziert die (Momentan-)Werte von Spannung U und Strom I und liefert an seinen Ausgang ein der Scheinleistung S = U × I entsprechendes Signal, was dem Fachmann an sich bekannt ist und an sich keiner weiteren Erläuterung bedarf. Gemäß der Darstellung in 1 kann die Scheinleistung bzw. das entsprechende Signal S einer Leistungseinheit des Ultraschallgenerators 2 zugeführt werden, um eine an sich bekannte Leistungsregelung durchzuführen. Hierauf ist vorliegend nicht weiter einzugehen, da die Leistungsregelung selbst nicht zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehört.
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Das Signal S liegt an einem Knoten 6b der Schutzschaltung 6 an, welcher mit der Kathodenseite einer Diode 6c schaltungstechnisch verbunden ist. Die Diode 6c fungiert als elektrisches Ventilmittel, worauf weiter unten noch genauer eingegangen wird. Anodenseitig ist die Diode 6c schaltungstechnisch mit einem Widerstandselement (R) 6d verbunden, welchem Widerstandselement 6d in einem weiteren Knoten 6e ein Kondensator (C) 6f parallel geschaltet ist. Das so gebildete RC-Glied 6d, 6f fungiert als Filtermittel nach Art eines Tiefpasses, worauf ebenfalls weiter unten noch genauer eingegangen wird. Dem RC-Glied 6d, 6f nachgeschaltet ist ein Verstärkermittel 6g in Form eines spannungsinvertierenden Verstärkers. Dem Verstärkermittel 6g nachgeschaltet ist ein Vergleichmittel 6h in Form eines Komparators. An einem Ausgang des Komperators 6h wird ein Steuersignal CS bereitgestellt, welches im Rahmen der vorliegenden Erfindung dazu verwendet wird bzw. werden kann, auf einen Betriebszustand des Ultraschallgeräts 1 einzuwirken. Auch hierauf wird weiter unten noch genauer eingegangen. Insbesondere kann das Steuersignal CS – je nach Signalpegel – zur Abschaltung des Ultraschallgeräts 1 bzw. des Ultraschallgenerators 2 oder zum Beibehalten eines aktuellen Betriebszustands verwendet werden.
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Im Betrieb arbeitet des Ultraschallgerät 1 grundsätzlich wie folgt:
Bei dem Ultraschallgerät 1 handelt es sich gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel um ein Ultraschallreinigungsgerät, welches dazu vorgesehen ist, verschmutzte Gegenstände, welche in das flüssige Medium 5 eingelegt werden, durch Beaufschlagung mit Ultraschallwellen zu reinigen. Die genannten Ultraschallwellen werden durch den Ultraschallschwinger 3 erzeugt, indem die Ultraschallschwingelemente 3a die Schwingmembrane 3b zu Schwingungen im Ultraschallbereich anregen, welche anschließend an das Medium 5 abgegeben wer den. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn in dem Behältnis 4 eine ausreichende Menge an flüssigem Medium 5 enthalten ist, welches den Ultraschallschwinger 3 zumindest an dessen Einkoppelseite (Seite der Membrane 3b) kontaktieren bzw. bedecken sollte. Fehlt das Medium 5, kommt es zu einem Trockenlauf.
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Es kann in der Praxis außerdem vorkommen, dass sich die Verbindung zwischen einzelnen Ultraschallschwingelementen 3a und der Schwingmembrane 3b löst, beispielsweise durch Alterung oder typischerweise durch Überhitzung, beispielsweise durch Einfüllen eines zu heißen Mediums 5 in das Behältnis 4. In beiden Fällen ist der Ultraschallschwinger 3 nicht mehr in der Lage, die ihm zugeführte Leistung an das Medium 5 abzugeben. Genauer gesagt, handelt es sich bei der dem Ultraschallschwinger 3 zugeführten elektrischen Leistung um so genannte Scheinleistung, die sich aus einem so genannten Wirkleistungsanteil und einem so genannten Blindleistungsanteil nach Art einer komplexwertigen Größe zusammensetzt. Nur der Wirkleistungsanteil kann – je nach Wirkungsgrad des Ultraschallschwingers 3 – zumindest teilweise in Form von Schwingungsenergie an das Medium 5 abgegeben werden.
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Wenn nun der Ultraschallschwinger 3 insbesondere aufgrund der weiter oben exemplarisch angesprochenen Defekte nicht mehr in der Lage ist, wie im Normalbetrieb ein entsprechendes Maß an Wirkleistung an das Medium 5 abzugeben, steigt am Ultraschallgenerator 2 der Blindleistungsanteil der bereitgestellten bzw. gelieferten Scheinleistung S messbar an. Wenn der Blindleistungsanteil der Scheinleistung S im normalen Betriebszustand des Ultraschallgeräts 1, das heißt bei nicht defektem Ultraschallschwinger 3 bekannt ist, kann dieser Blindleistungsanteil als Referenz herangezogen werden, um im Zuge einer vergleichenden Überwachung des aktuellen Blindleistungsanteils auf eine Fehlfunktion des Ultraschallgeräts 1 bzw. des Ultraschallschwingers 3 zu schließen. Aber auch absolute Anteilsänderungen des Blindleistungsanteils können zur Überwachung auf Fehlfunktion genutzt werden.
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Eine derartige Fehlfunktion kann – wie bereits erwähnt – insbesondere schlagartig auftreten, wenn beispielsweise der Ultraschallschwinger 3 innerhalb des Behältnisses 4 trocken fällt. Hierbei handelt es sich um einen so genannten Trockenlauf. Allerdings kann der Effekt auch schleichend auftreten, wenn sich die in 1 gezeigten Ultraschallschwingelemente 3a aufgrund von Alterung oder durch Überhitzung von der Membrane 3b ablösen. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß die Scheinleistung S im Ultraschallgenerator 2 durch die Schutzschaltung 6 überwacht. Diese Überwachung geschieht vorzugsweise zeitaufgelöst, so dass zwischen den beiden Effekten (Trockenlauf bzw. Schwingelementablösung) anhand der zeitlichen Änderungsrate des Blindleistungsanteils unterschieden werden kann.
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Um den Blindleistungsanteil der Scheinleistung S zu bestimmen bzw. zu gewinnen, ist die Diode 6c oder ein vergleichbares elektrisches Filtermittel vorgesehen. Durch die in 1 gezeigte Anordnung der Diode 6c lässt diese einen negativen Anteil des Scheinleistungssignals bzw. der Scheinleistung S durch. Dieser Sachverhalt lässt sich anhand der 2a und 2b verdeutlichen.
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2a zeigt den zeitlichen Verlauf der Scheinleistung S bzw. des Ausgangssignals des Multiplizierers 6a in Abhängigkeit von der Zeit t für den Fall, dass in der vorliegenden idealisierten Darstellung praktisch die gesamte Scheinleistung in Form von Wirkleistung vorliegt, welcher durch den Ultraschallschwinger 3 abnehmbar und verwertbar ist. Der Signalverlauf bewegt sich dann gemäß der Darstellung in 2a ausschließlich im positiven Bereich, so dass die Diode 6c in Sperrrichtung betrieben wird und kein Steuersignal bzw. keine Veränderung des Steuersignals CS am Ausgang des Komperators 6h resultiert.
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Bei Fehlfunktion des Ultraschallgeräts 1 bzw. des Ultraschallschwingers 3 entsteht ein Signalverlauf gemäß 2b. Dort ist ein veränderter Verlauf der Scheinleistung S' bzw. des entsprechenden Signals am Ausgang des Multiplizierers 6a über der Zeit t dargestellt. Aufgrund des nunmehr deutlich vorhandenen Blindleistungsanteils schwingt der Signalverlauf in den gekennzeichneten Bereichen A und B auch ins Negative. Diese Bereiche A, B entsprechen dem Blindleistungsanteil des Scheinleistungssignals S'.
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Mit Blick auf die 1 wird in den Bereichen A und B gemäß 2b die Diode 6c in Durchlassrichtung betrieben, so dass ein dem Blindleistungsanteil entsprechendes Signal zu den der Diode 6c nachgeschalteten Bestandteilen der Schutzschaltung 6 gelangt. Das genannte Blindleistungssignal wird zunächst durch das RC-Glied 6d, 6f tiefpassgefiltert und gelangt dann zu dem spannungsinvertierenden Verstärker 6g. Anschließend gelangt das entsprechend spannungsinvertierte und verstärkte Blindleistungssignal zum Komparator 6h, wo ein Vergleich mit einem Referenzwert erfolgt, welcher Referenzwert aus einem gemessenen Blindleistungsanteil bei Normalbetrieb des Ultraschallgeräts 1 bzw. des Ultraschallschwingers 3 abgeleitet wurde. Im Idealfall entspricht dieser Normalbetrieb der Darstellung gemäß 2a, so dass praktisch kein Blindleistungsanteil vorhanden ist. Sobald durch den Komperator 6h festgestellt wird, dass der Blindleistungsanteil den genannten Referenzwert um einen bestimmten Schwellwert übersteigt, wird am Ausgang des Komperators 6h das Steuersignal CS bereitgestellt bzw. auf einen bestimmten Zustand umgeschaltet, der es erlaubt, einen Betriebszustand des Ultraschallgeräts 1 zu modifizieren.
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Ohne Beschränkung kann in diesem Zusammenhang beispielsweise vorgesehen sein, dass der Komperator 6h das Steuersignal CS von einem Standardzustand „O” oder „LOW” auf den Zustand „1” bzw. „HIGH” umschaltet, sobald der Blindleistungsanteil den Referenzwert um den genannten Schwellwert übersteigt. Das Steuersignal CS = 1 wird dann dazu verwendet, den Ultraschallgenerator 2 abzuschalten oder zumindest signaltechnisch von dem Ultraschallschwinger 3 zu trennen. Zu diesem Zweck kann ein entsprechend durch das Steuersignal CS ansteuerbares Schaltmittel vorgesehen sein, welches in 1 nicht explizit dargestellt ist. Außerdem ist es möglich, nach Maßgabe des Signals CS = 1 beispielsweise ein optisches und oder akustisches Warnsignal auszugeben oder einen Logbuch-Eintrag in einen geeigneten, insbesondere rechnergestützten Logbuch-File zu erzeugen. Auf diese Weise ist die Fehlfunktion des Ultraschallgeräts 1 durch eine Bedienperson behebbar oder zumindest entsprechend dokumentiert.
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Wie bereits angemerkt wurde, lassen sich die vorstehend anhand von analogen Schaltungen beschriebenen Funktionalitäten im Zuge alternativer Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung auch zumindest teilweise digital implementieren, beispielsweise unter Verwendung eines DSP.
