DE2338503C3

DE2338503C3 - Schaltungsanordnung zum Erregen des Wandlers eines Ultraschall-Zerstäubers

Info

Publication number: DE2338503C3
Application number: DE2338503A
Authority: DE
Inventors: Taro Uji Kyoto Yamamoto
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1972-07-31
Filing date: 1973-07-30
Publication date: 1981-09-03
Also published as: JPS4934826A; AT346614B; DE2338503B2; NL179555C; CA984282A; AU5839273A; GB1441951A; IT992746B; ZA735101B; DE2338503A1; NL7310543A; ATA667473A; BE803001A; CH588303A5; FR2195172A5; NO140456B; NL179555B; NO140456C; US3885902A; SE396702B

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erregen des Wandlers eines Ultraschall-Zerstäubers der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der US-PS 32 14 101 bekannt. Damit der Oszillator bei Veränderungen der Betriebsbedingungen, beispielsweise bei Temperaturänderungen, auf der Resonanzfrequenz des Wandlers schwingt, ist eine Phasenschieber-Oszillatorschaltung vorgesehen, die in Kombination mit einer Phasenschieberschaltung die Phasenverschiebung bewirkt, die zur Aufrechterhaltung der Schwingungen bei der Resonanzfrequenz des Wandlers erforderlich ist.

Über eine etwaige Regelung der Schwingungsamplitude werden keine näheren Angaben gemacht, sondern nur darauf hingewiesen, daß die Amplituden der Schwingungen durch Unlinearitäten in der Schaltungsanordnung bzw. einen Vorspannungswiderstand auf einen Gleichgewichtswert begrenzt werden. Bei der Erregung eines Wandlers für einen Ultraschall-Zerstäuber muß jedoch die Schwingungsamplitude auf einen optimalen Wert gehalten werden, damit die zerstäubten Teilchen, insbesondere Brennstoff-Flüssigkeiten, immer die optimale Teilchengröße haben. Denn wenn die Amplitude zu groß wird, also über einem vorgegebenen Wert liegt, so nimmt auch die Größe der Teilchen aufgrund von Kavitationen allmählich zu, während bei der Abnahme der Amplitude unter einen vorgegebenen Wert keine Zerstäubung der Flüssigkeit mehr erfolgen kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Erregen des Wandlers eines Ultraschall-Zerstäubers der angegebenen Gattung zu schaffen, die ein Ausgangssignal mit konstanter Amplitude liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine zweckmäßige Ausführungsform ist im Anspruch 2 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf folgender Funktionsweise: Die von der Gleichstromquelle gelieferte Spannung wird über eine Rückkopplung gegensinnig von dem Wandlerstrom beeinflußt, so daß bei einem Ansteigen des Wandlerstroms die Spannung der Gleichstromquelle gesenkt und bei einer Verringerung des Wandlerstroms die Spannung der Gleichstromquelle erhöht wird. Auf diese Weise läßt sich die Amplitude der Schwingungen sehr exakt auf einen konstanten Wert einregeln.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß sich mittels dieser Amplitudenregelung die Amplitude des Wandlers auch leicht an verschiedene Betriebszustände, beispielsweise beim Einschalten des Ultraschall-Zerstäubers anpassen läßt Weil die Amplitude des Wandlers einen konstanten Wert hat, kann sie auch zur Feststellung eines Defektes

ίο herangezogen und beispielsweise dazu benutzt werden, in einem solchen Fall die Flüssigkeitszufuhr abzustellen. Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur ein Schaltbild der Schaltungsanordnung zum Erregen des Wandlers eines Ultraschall-Zerstäubers nach der vorliegenden Erfindung 2eigt.

Gemäß dieser Figur weist ein Ultraschall-Zerstäuber einen magnetostriktiven Wandler 10 mit einer auf seinen Schenkeln 10a angebrachten Spule 11 sowie mit einer schwingenden Fläche auf, die am Boden eines kegelstumpfförmigen Schalltrichters 12, eines sogenannten »Hornstrahlers«, angebracht ist. Wenn eine Wechselspannung, deren Frequenz gleich der Resonanzfrequenz des magnetostriktiven Wandlers 10 und des Hornstrahlers 12 ist, an die Spule 11 angelegt wird, wird deren dynamische Admittanz maximal, so daß der maximale Strom fließt. Dabei wandelt der magnetostriktive Wandler 10 die elektrischen Schwingungen mit maximalem Wirkungsgrad in mechanische Schwingungen um, und die Amplitude der zu der Endfläche 13 des Hornstrahlers 12 senkrechten mechanischen Schwingung kann besser verstärkt werden als die Amplitude der mechanischen Schwingungen an der Bodenfläche

α des Hornstrahlers. Der Verstärkungsfaktor hängt vom Material, der Form usw. des Hornstrahlers 12 ab.

Die Auslaßöffnung einer Düse 14 ist an der Endfläche 13 des Hornstrahlers 12 vorgesehen; ihr Einlaß ist im Knotenpunkt des Hornstrahlers 12 an eine Flüssigkeits-Zuführleitung angeschlossen.

Als nächstes wird ein Oszillator für die Erregung des magnetostriktiven Wandlers 10 beschrieben. Ein in seiner Gesamtheit mit P bezeichneter Verstärker weist eine Phasenschieberschaltung mit einem Kondensator 40 und einem veränderlichen Widerstand 41 und einen zweistufigen Verstärker auf. Die erste Stufe des Verstärkers enthält einen Kopplungskondensator 42, Vorspannungswiderstände 43, 44 und 4S, einen Überbrückungskodensator für den Widerstand 46, einen Transistor 45, und die Primärwicklung 49 eines Kopplungstransformators 48; die zweite Stufe weist die Sekundärwicklungen 50 und 51 des Transformators 48, zwei Transistoren 52 und 53 und einen in Reihe mit einer Ausgangsschaltung geschalteten Blockkondensator 54 auf. Eine Rückkopplungsschaltung enthält einen Strom-Spannungs-Umformer 60 auf, dessen Primärwicklung 61 in Reihe mit der Ausgangsschaltung des Verstärkers liegt; ein Widerstand 63 ist parallel zu der Sekundärwicklung 62 des Strom-Spannungs-Umformers 60

w) geschaltet. Die Spannung an der Primärwicklung 61 wird auf den Verstärker P zurückgekoppelt, der zusammen mit der Rückkopplungsschaltung den Oszillator bildet.
Im folgenden wird die Betriebsweise des Wandlers beschrieben. Von einer noch zu beschreibenden .leiehstromquelle wird der Oszillator mit einer

Gleichspannung gespeist; die Transistoren 52 und 53 werden abwechselnd an- und abgeschaltet, so daß an der

Spule 11 im wesentlichen eine Rechteckspannung erhalten wird. Die Scheitelspannung ist gleich der halben Amplitude der Gleichspannung der Gleichstromquelle. Der gedämpfte Leitwert an d^n Anschlüssen des Wandlers 10 soll ausreichend klein im Vergleich zu dem dynamischen Leitwert bei Resonanzfrequenz und bei einer Frequenz der Rechteckspannung sein, die gleich der Resonanzfrequenz /o des magnetostriktiven Wandlers 10 ist Wie oben ausgeführt wurde, wird der dynamische Leitwert bei der Resonanzfrequenz /b maximal und wird kleiner, wenn die Frequenz von der Resonanzfrequenz k abweicht

Die an den magnetostriktiven Wandler 10 angelegte Rechteckwellenspannung kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

4 ,Λ sin(2ii-l)w_oi
e = —h > ,

(2/1-1)

wobei e die Spannung, E die Scheitelspannung, die gleich der halben Amplitude der Gleichspannung Eo ist, G)₀ die Kreisfrequenz (gleich 2 π /₀) und t die Zeit sind.

Die Scheitelspannungen der ungeradzahligen Harmonischen betragen 1/3, 1/5 ... und l/(2n—1) der Scheitelspannung der Grundkomponente. Infolgedessen ist der Leitwert des magnetostriktiven Wandlers 10 niedrig im Vergleich zu den Frequenzen der hochfrequenten Komponenten; die Scheitelspannungen der Harmonischen nehmen ab, wenn die Ordnungszahl der Harmonischen zunimmt, so daß ein Strom, dessen Frequenz gleich der Resonanzfrequenz k ist, durch die Spule 11 fließt. Ein Strom, der proportional zu dem durch die Primärwicklung 61 des Strom-Spannungs-Umformers 60 fließenden Stroms ist, fließt über einen parallel zu dessen Sekundärwicklung 62 geschalteten Widerstand 63, so daß die Spannung an dem Widerstand 63 proportional zu dem Steuerstrom mit der Frequenz f₀ ist.

Andererseits kl der gedämpfte Leitwert des magnetostriktiven Wandlers 10 ausreichend klein im Vergleich zu dem Bewegungs-Leitwert, so daß der durch die Spule 11 fließende Strom proportional zu der Schwingung des magnetostriktiven Wandlers ist. Die Schwingung des magnetostriktiven Wandlers 10 wild daher bei Resonanzfrequenz /Ό ebenso wie der durch die Spule 11 fließende Strom maximal. Ferner wird auch die Spannung an der Primärwicklung 61 des Strom-Spannungs-Umformers 60 maximal. Die Spannung an der Primärwicklung 61 wird positiv zu der Phasenschieberschaltung rückgekoppelt, und das Ausgangssignal der Phasenschieberschaltung wird mittels des Transistors 45 verstärkt, so daß die Transistoren 52 und 53 weitergeschaltet werden können. Die Konstante der Phasenschieberschaltung wird mittels des veränderlichen Widerstandes 41 so eingestellt, daß die Phasenverschiebung insgesamt 0 oder 360° wird. Ferner ist der Verstärkungsfaktor größer als eins. Hierdurch wird automatisch eine Schwingung bei der Resonanzfrequenz ^ erreicht.

Die übliche, an zwei Eingangsanschlüsse 20 und 22 angelegte Netzspannung wird mittels eines Transformators 22 auf eine entsprechende Spannung heruntergesetzt, mittels eines Diodengleichrichters 23 gleichgerichtet und mittels eines Glättungskondensators 24 geglättet. Die Spannung an dem Glättungskondensator 24 liegt am Eingang einer Regelschaltung an, die einen Transistor 34, einen weiteren Transistor 35 zur Verstärkung und Fehler-Feststellung, eine Zenerdiode 32 für eine Bezugsspannung, Vorspannungswiderstände 31 und 33 und einen Koppelkondensator 36 aufweist Die Wechselspannung an dem Widerstand 63 in der Phasenschieberschaltung ist proportional zu dem durch die Spule 11 fließenden Treiberstrom und damit zu der Schwingungsfrequenz des magnetostriktiven Wandlers 10. Diese Spannung wird mittels einer Gleichrichterschaltung mit einer Diode 64, einem Widerstand 65 und einem Kondensator 66 gleichgerichtet und geglättet und

ίο ist im wesentlichen proportional zu dem durch die Spule 11 fließenden Strom. Infolgedessen ist die Spannung an dem Kondensator 66 proportional zu der Schwingung des magnetostriktiven Wandlers 10 und wird zum Regeln der Ausgangsspannung des Oszillators verwendet, so daß die Schwingung des magnetostriktiven Wandlers 10 konstant gehalten werden kann. Die Spannung an dem Kondensator 26 wird durch eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 68 und einem Potentiometer 67 geteilt und an die Basis des Transistors 35 angelegt, so daß die Ausgangsspannung auf einem vorbestimmten Pegel gehalten werden kann. Hierdurch läßt sich die Schwingung des magnetostriktiven Wandlers 10 auf einem vorbestimmten, konstanten Pegel halten.

Im folgenden wird die Betriebsweise bei der Steuerung der Schwingung des magnetostriktiven Wandlers IC beschrieben. Wenn die Schwingungsfrequenz des magnetostriktiven Wandlers 10 höher als ein vorbestimmter Wert wird, nimmt der Steuerstrom zu. so

ίο daß die Wechselspannung an dem zu der Sekundärwicklung 62 des Strom-Spannungs-Umformers parallel geschalteten Widerstand 63 ebenfalls proportional hierzu zunimmt. Hierdurch nimmt auch die Gleichspannung an dem Kondensator 66 zu, so daß das Eingangssignal der Regelschaltung Q ebenfalls zunimmt. Das heißt, die Spannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 35 nimmt zu, während die Spannung an seinem Kollektor und Emitter abnimmt, so daß sich das Ausgangssignal der Regelschaltung Q verringert. Hierdurch wird dann die Schwingungsfrequenz des magnetostriktiven Wandlers 10 verkleinert. Der vorbeschriebene Ablauf kann zyklisch wiederholt werden, bis sich die Schwingungsfrequenz des magnetostriktiven Wandlers 10 auf einen konstanten Wert stabilisiert hat, der einer mittels des veränderlichen Widerstands 67 vorgegebenen Spannung entspricht. Wenn die Schwingungsfrequenz des magnetostriktiven Wandlers 10 niedriger als ein vorbestimmter Wert wird, wird sie in ähnlicher Weise wieder auf einen vorbestimmten Wert zurückgebracht. Infolgedessen kann die Frequenz des magnetostriktiven Wandlers 10 immer auf einem vorbestimmten Pegel gehalten werden.

Da die Schwingungsamplitude des magnetostriktiven Wandlers 10 durch Teilen der Frequenz durch die Kreisfrequenz ausgedrückt ist, kann die Amplitude konstant gehalten werden, wenn die Kreisfrequenz-Abweichungen vernachlässigbar sind.
Wenn beispielsweise der magnetostriktive Wandler

w) 10 einen Ferrit aufweist, vom Tc-Typ ist und mit 28 kHz schwingt, und wenn der Hornstrahler 12 aus Aluminium besteht und eine exponentielle Form hat, dann beträgt die Resonanzfrequenz-Abweichung 500 Hz, wenn sich die Temperatur von -20⁰C auf +80⁰C ändert. Diese

b'i Frequenzabweichung von 500 Hz ist vernachlässigbar, da die Resonanzfrequenz beinahe gleich 28 Hz ist. Infolgedessen kann auch die Amplitude über dem vorerwähnten Temperaturbereich stabilisieri werden.

Da der Wandler, der Oszillator, die Regelschaltung und die Gleichstromquelle bei einem Ultraschall-Zerstäuber eingesetzt werden, muß der Eingangsstrom erhöht werden und höher sein als der Dauerstrom, wenn der Zerstäuber in Betrieb gesetzt wird.

Hierzu wird der folgende Effekt ausgenutzt: Wenn die Ausgangsspannung der Regelschaltung Null ist, ist, wenn die Zerstäubung der Flüssigkeit begonnen wird, die Spannung am Emitter und Kollektor des Transistors 34 sehr niedrig, so daß die Regelschaltung ein maximales Eingangssignal enthält. Wenn dann die Zerstäubung begonnen hat, wird die Ausgangsspannung der Regelschaltung Null und muß danach auf 100% erhöht werden. Das heißt, es ist ein Zeitgeber erforderlich, um die Ausgangsspannung in einer vorbestimmten Zeit von Null auf 100% zu erhöhen. Diese Anordnung wird nunmehr anhand der Figur beschrieben.

Ein Transistor 71 ist parallel zu dem Widerstand 68 geschaltet-, seine Basis ist mit dem Emitter des Transistors 34 über einen in Reihe mit einem Kondensator 73 geschalteten Widerstand 72 verbunden. Anfangs ist der Kondensator 73 kurzgeschlossen, so daß der Basisstrom des Transistors 71 hoch und dieser dadurch angeschaltet ist. Hierdurch nimmt die Ausgangsspannung der Regelschaltung ab. Die Werte des Potentiometers 67 und des Widerstandes 68 sind so gewählt, daß die Abnahme der Ausgangsspannung kleinei" ist als die Durchbruchspannung der Zenerdiode 32. Infolgedessen wird die Ausgangsspannung praktisch Null. Mach Verstreichen einer bestimmten Zeit wird der Kollektorstrom des Transistors 71 auf Null herabgesetzt, so daß die Ausgangsspannung auf 100% erhöht wird.

Als !nächstes wird beschrieben, wie verhindert wird, daß bei einem Ausfall des magnetostriktiven Wandlers 10 die Flüssigkeit nicht zerstäubt wird und über die Zerstäubungsfläche 13 des Hornstrahlers 12 fließt. Hierzu ist ein Solenoidventil 92 zwischen Abschnitte 90 und 91 einer Rohrleitung eingesetzt, die dem Hornstrahler 12 die Flüssigkeit zuführt; das Solenoidventil wird mittels einer Steuerschaltung 100 gesteuert, die auf eine Frequenz- oder Amplitudenänderung des Wandlers 10 anspracht, das heißt, der Steuerstrom fließt über die Spule 11. Wenn also die Schwingungsamplitude einen vorbestimmten Pegel übersteigt, wird das Solenoidventil 92 geöffnet, so daß Flüssigkeit zugeführt wird; wenn aber die Amplitude kleiner als ein vorbestimmter Pegel wird, wird das Solenoidventil 92 geschlossen und dadurch die Zufuhr an flüssigem Brennstoff zu dem für die Zerstäubung vorgesehenen Hornstrahler 12 unterbrochen.

Die Steuerschaltung 100 enthält beispielsweise ein Relais und eine Schmitt-Schaltung, die so verbunden sind, daß das Relais erregt wird, wenn die Amplitude niedriger als ein vorbestimmter Pegel wird, so daß der Speisestrom von der Netzleitung über die Anschlüsse 101 und 102 zu dem Solenoidventil 92 abgeschaltet wird. Die Gleichspannung an dem Kondensator 24 kann der (nicht dargestellten) Schmitt-Schaltung über zwei ίο Eingangsanschlüsse 103 und 105 zugeführt werden, während die Eingangsspannung oder das -signal von dem Kondensator 66 an den Anschluß 104 der Schmitt-Schaltung angelegt wird. Wenn die Schwingungsamplitude des magnetostriktiven Wandlers 10 aus irgendeinem Grund kleiner wird als ein vorbestimmter Wert, nimmt der durch die Spule 11 fließende Steuerstrom ab, so daß die Spannung an dem Kondensator 66 ebenfalls abnimmt. Die Schmitt-Schaltung wird dann ausgelöst und dadurch das Relais erregt, um auf diese Weise den Speisestrom zu dem Solenoidventil 92 und damit die Brennstoffzufuhr zu dem Hornstrahler 12 zu unterbrechen.

Wenn der Ultraschall-Zerstäuber über einem großen Temperaturbereich verwendet wird, nimmt die Viskositat der zu zerstäubenden Flüssigkeit zu, wenn die Temperatur abnimmt. Infolgedessen sollte entsprechend der Temperaturabnahme automatisch die Schwingungsamplitude des die Flüssigkeit zerstäubenden Hornstrahlers 12 erhöht werden. Hierzu ist in der Flüssigkeits-Zufuhrleitung 90 ein Thermistor 80 angeordnet, um die Temperatur der Flüssigkeit festzustellen. Der Thermistor 80 ist mit dem Potentiometer 67 verbunden, so daß die der Regelschaltung zugeführte Steuerspannung entsprechend der Temperaturänderung von der Widerstandsänderung des Thermistors 80 abhängt

Dadurch wird die Ausgangsspannung der Regelschaltung entsprechend der Temperaturänderung variiert, so daß die Schwingungsamplitude der schwingenden Oberfläche 13 des Hornstrahlers 12 ebenfalls entsprechend der Temperaturänderung verändert wird. Das heißt, wenn die Temperatur der zugeführten Flüssigkeit abnimmt, nimmt auch die an die Regelschaltung anzulegende Steuerspannung ab, so daß die Ausgangsspannung der Regelschaltung ansteigt Hierdurch steigt dann auch die Ausgangsspannung des Oszillators an, so daß die Schwingungsamplitude an der schwingenden Oberfläche 13 des Hornstrahlers 12 zunimmt Hierdurch kann die Flüssigkeit mit einem vorbestimmten Wirkungsgrad zerstäubt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Erregen des Wandlers eines Ultraschall-Zerstäubers, bestehend aus einem rückgekoppelten, auf der Resonanzfrequenz des Wandlers schwingenden Oszillator, der von einer Gleichstromquelle gespeist wird, gekennzeichnet durch einen in den Stromkreis des Wandlers (10) geschalteten Strom-Spannungs-Umformer (60), dessen Ausgang (62) in de» Weise an eine Regelschaltung (Q) für die Spannung der Gleichstromquelle geschaltet ist, daß der Wandlerstrom die Spannung gegensinnig beeinflußt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein mi ι der Regelschaltung (Q) verbundenes Potentiometer (67) zur Einstellung der Spannung.