DE3933300A1 - Ultraschallzerstaeuber - Google Patents
UltraschallzerstaeuberInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallzerstäuber gemäß
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Ultraschallzerstäuber wird beispielsweise
für Standheizungen von Fahrzeugen eingesetzt. Dabei er
zeugt der Ultraschallzerstäuber einen Brennstoffnebel für
den Heizbrenner.
Beim herkömmlichen Druckzerstäuberbrenner wird das durch
Anwendung von hohem Druck vor der Zerstäuberdüse
erreicht. Dabei wendet man Drücke im Bereich von 10 bis
20 bar an. Bei vorgegebener Düsenbohrung steigt mit zu
nehmenden Druck der Durchsatz an Brennstoff und damit die
Heizleistung an. Da die Düsendurchmesser aus Gründen der
Betriebssicherheit, insbesondere wegen der Gefahr der
Verstopfung durch Schmutz, nicht beliebig verkleinert
werden können, haben Druckzerstäuberbrenner eine untere
Leistungsgrenze, die bei etwa 15 kW liegt.
Für Ultraschallzerstäuberbrenner verwendet man Ultra
schallzerstäuber mit einem Ultraschallschwinger, der
einen Ultraschallwandler aufweist, der üblicherweise mit
einem Amplitudentransformator gekoppelt ist, der am
freien Ende mit einem Zerstäuberteller oder einer Zer
stäuberplatte versehen ist, deren Oberfläche zu zerstäu
bender flüssiger Brennstoff zugeführt wird, und zwar
über Bohrungen und Kanäle, die groß dimensioniert werden
können und daher nicht der Gefahr der Verstopfung durch
Schmutz unterliegen. Die Brennstoffzufuhr von einem
Brennstoffvorrat erfolgt über eine fast ohne Gegendruck
arbeitende Dosierpumpe, die wesentlich einfacher und
kostengünstiger ist als die bei einem Druckzerstäuber
notwendige Hochdruckpumpe mit Druckregler.
Die Zerstäubung von Flüssigkeiten mittels Ultraschall
wird physikalisch über die Bildung von Kapillarwellen
an der Oberfläche der auf dem Zerstäubungsteller als
Film aufgebrachten Flüssigkeit erklärt. Für den häufig
sten Tropfendurchmesser dh gilt folgende Beziehung:
Dabei bedeuten:
Dabei bedeuten:
Dabei bedeuten:
dh=häufigster Tropfendurchmesser
σ=Oberflächenspannung der Flüssigkeit
ρ=Dichte der Flüssigkeit
fa=Anregungsfrequenz des Ultraschallzerstäubers.
σ=Oberflächenspannung der Flüssigkeit
ρ=Dichte der Flüssigkeit
fa=Anregungsfrequenz des Ultraschallzerstäubers.
Da σ und ρ stoffbezogene Größen sind, gilt
dh ∼ fa -2/3 (2)
Möchte man den häufigsten Tropfendurchmesser dh
einer Zerstäubungsvorrichtung verkleinern, ist dies nur
durch eine Erhöhung der Anregungsfrequenz fa möglich.
Wird z. B. fa auf den dreifachen Wert erhöht, ver
ringert sich dh auf die Hälfte. Bei Heizgeräten mit
einer auf Zerstäubung basierenden Gemischaufbereitung
sind kleine Tropfen wünschenswert, da durch die damit
verbundene große Oberfläche des Brennstoffs eine schnelle
und intensive Gemischbildung möglich ist.
Um kleine Brennstofftröpfchen zu erzielen, wäre z. B.
eine Anregungsfrequenz von 100 bis 120 kHz wünschens
wert. Im Normalbetrieb eines Heizgerätes ist dies auch
praktikabel, nicht jedoch beim Kaltstart des Heizgerätes
an der unteren Grenze des Temperaturbereichs, die üb
licherweise bei -40°C angenommen wird. Der Leistungsbe
darf des Ultraschallzerstäubers steigt bei derart tiefen
Temperaturen auf das 5- bis 10-fache an, da durch die
stark zunehmende Zähigkeit des Brennstoffs mehr Zer
stäubungsenergie benötigt wird. Außerdem ist es bei die
sen hohen Frequenzen sehr schwierig, einen am Zerstäu
berteller anhaftenden kalten und daher hochviskosen
Tropfen im Kaltstartbetrieb abzuschleudern.
Die Zuverlässigkeit der Zerstäubung, d. h., die Sicherheit
gegen Zerstäubungsausfall infolge Bedämpfung des Ultra
schallzerstäubers durch hochviskosen Brennstoff bei vor
gegebener elektrischer Anregungsenergie kann erheblich
gesteigert werden, wenn die Frequenz der Zerstäubung
merklich abgesenkt wird, z. B. auf 40 kHz. Die Verluste
im Material des Ultraschallschwingers, bei dem es sich
üblicherweise um Chromnickelstahl handelt, werden dann
geringer und bei vertretbarem Leistungspegel ist noch
eine Zerstäubung möglich. Dies allerdings nur um den
Preis größerer Tropfen. Herkömmlicherweise wird daher
zwischen diesen entgegengesetzten Forderungen ein Kompro
miß geschlossen und die Zerstäubungsfrequenz auf 50 bis
60 kHz festgelegt.
Das bedeutet, daß herkömmliche Ultraschallzerstäuber
weder bei ihrer Betriebstemperatur noch bei tiefen Kalt
starttemperaturen optimal betrieben werden können.
Da der Ultraschallschwinger in Resonanz betrieben werden
muß, sind seine Abmessungen durch die Anregungsfrequenz
bestimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hiergegen Ab
hilfe zu schaffen, einen Ultraschallzerstäuber also so
wohl bei Betriebstemperatur als auch bei Kaltstarttem
peraturen optimal betreibbar zu machen, und zwar mit
möglichst wenig zusätzlichem Aufwand.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 ange
geben und kann den Unteransprüchen gemäß vorteilhaft
weitergebildet werden.
Erfindungsgemäß wird also temperaturabhängig zwischen
einer hohen Resonanzanregungsfrequenz dann, wenn das
Heizgerät mit üblicher Betriebstemperatur arbeitet, und
einer niedrigen Resonanzanregungsfrequenz im Kaltstart
betrieb mit niedriger Temperatur umgeschaltet. Dadurch
können bei normaler Betriebstemperatur des Ultraschall
zerstäubers kleine Brennstofftröpfchen unter optimalen
Voraussetzungen für eine effektive Verbrennung erzeugt
werden, während beim Kaltstart ein sicheres Abschleudern
der Brennstofftröpfchen und damit eine sichere Funktion
des Heizgerätes gewährleistet werden können. Dabei bleibt
der Betrag der aufzuwendenden elektrischen Anregungs
energie in akzeptablen Grenzen.
Zu diesem Zweck werden in Abhängigkeit von der ermittel
ten Temperatur ein spannungsgesteuerter Oszillator und
ein Frequenzfilter zwischen zwei Werten umgeschaltet,
die der niedrigen bzw. hohen Resonanzanregungsfrequenz
entsprechen, welche die Anregungsschaltung zur Beauf
schlagung des Ultraschallschwingers abgibt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die
Anregungsschaltung eine Phasenrastungsschaltung oder
PLL-Schaltung auf, wobei deren spannungsgesteuerter Os
zillator (VCO) und ein Frequenzfilter auf die niedrige
bzw. die hohe Resonanzanregungsfrequenz umgeschaltet
werden.
Einzelheiten weiterer bevorzugter Ausführungsformen
können den Ansprüchen entnommen werden.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen
näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines für die Erfindung
geeigneten Ultraschallschwingers;
Fig. 2 den Verlauf der Impedanz eines Ultraschall
schwingers der in Fig. 1 gezeigten Art in Ab
hängigkeit von der Anregungsfrequenz;
Fig. 3A eine erste Ausführungsform eines erfindungs
gemäßen Ultraschallzerstäubers mit Anregungs
schaltung;
Fig. 3B eine zweite Ausführungsform eines erfindungs
gemäßen Ultraschallzerstäubers mit Anregungs
schaltung;
Fig. 4 ein erstes Beispiel eines bei den Ausführungs
formen nach Fig. 3A und 3B verwendbaren, um
schaltbaren spannungsgesteuerten Oszillators;
Fig. 5 ein zweites Beispiel eines bei den Ausfüh
rungsformen nach Fig. 3A und 3B verwendbaren,
umschaltbaren spannungsgesteuerten
Oszillators;
Fig. 6 ein Beispiel eines bei den Ausführungsformen
nach Fig. 3A und 3B verwendbaren, umschalt
baren Tiefpaßfilters; und
Fig. 7 ein Ersatzschaltbild eines Ultraschallwand
lers; und
Fig. 8 das Ersatzschaltbild eines Ultraschallwand
lers bei Serienresonanz.
Der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Ultraschall
schwinger 11 weist einen im wesentlichen axial-symmetri
schen Metallkörper 13 auf, der vorzugsweise aus Chrom
nickelstahl besteht. Der Metallkörper 13 weist etwa in
seiner Längsmitte einen Scheibenbereich 15 großen Durch
messers auf. Auf einen in Fig. 1 links vom Scheibenbe
reich 15 befindlichen Schaftbereich des Metallkörpers 13
sind zwei Scheiben aus piezzoelektrischem Keramikmaterial
aufgeschoben. Sie werden mittels einer Schraubenmutter
21, die auf einen Gewindeteil des Schaftbereichs 17 auf
geschraubt ist, gegen den Scheibenbereich gedrängt. Die
Keramikscheiben 19 sind mit elektrischen Anschlüssen ver
sehen, mittels welchen den keramischen Scheiben 19 elek
trische Anregungsenergie zugeführt wird, welche sie in
mechanische Schwingungen versetzt. An der von den Kera
mikscheiben 19 abliegenden Seite schließt sich an den
Scheibenbereich 15 ein länglicher Bereich 25 kleinen
Durchmessers an. Das freie Ende des länglichen Bereichs
25 ist mit einem Zerstäubungsteller 27 vergrößerten
Durchmessers versehen. Der längliche Bereich 25 weist
einen Axialdurchgang 29 auf, der mit einem Radialdurch
gang 31 im Scheibenbereich 15 in Verbindung steht.
Mittels der Durchgänge 31 und 29 wird flüssiger Brenn
stoff von einem nicht gezeigten Brennstoffvorrat auf die
Außenoberfläche des Zerstäubungstellers 27 gebracht.
Der Scheibenbereich 15, der längliche Bereich 25 und der
Zerstäubungsteller 27 stellen einen Amplitudentransfor
mator in Form eines mechanischen Impedanzwandlers dar,
der aufgrund der Durchmesseränderungen Impedanzsprünge
aufweist. Ein derartiger Ultraschallschwinger ist zu
Oberschwingungen in der Lage, die aufgrund der Impedanz
sprünge jedoch keine Frequenzvielfachen der Grund
schwingung zu sein brauchen.
Fig. 2 zeigt einen Verlauf der Impedanz Z eines Ultra
schallschwingers der in Fig. 1 gezeigten Art in Abhängig
keit von der Anregungsfrequenz fa. Durch die Kombina
tion eines longitudinal-schwingungsfähigen Gebildes mit
dem zu Biegeschwingungen fähigen Zerstäubungsteller 27
entsteht ein schwingungsfähiges System mit mehreren Frei
heitsgraden und somit mit verschiedenen Eigenresonanz
frequenzen, die im allgemeinen nicht harmonisch zuein
ander zu sein brauchen. Aus dem in Fig. 2 gezeigten
Impedanzverlauf über der Anregungsfrequenz sind die auf
tretenden Resonanzstellen ersichtlich. Dabei sind
charakteristisch die jeweils nahe zusammenliegenden
Serien- und Parallel-Resonanzstellen.
Für den erfindungsgemäßen Zweck können bei dem gezeigten
Beispiel die bei 49 kHz liegende, scharf ausgeprägte
Grundschwingung f1 und die ebenfalls scharf ausgeprägte
Oberschwingung f2 bei 102 kHz nutzbar gemacht werden.
Es hat sich gezeigt, daß sich die Resonanzfrequenzen f1
und f2 dadurch auszeichnen, daß am Zerstäubungsteller
27 große Bewegungsamplituden entstehen und dadurch bei
beiden Frequenzen Brennstoff zerstäubt werden kann,
allerdings mit den bereits erwähnten Unterschieden:
- 1) bei f1=49 kHz entsteht ein relativ großtropfiger Flüssigkeitsnebel (dh), es kann aber auch bei tiefen Temperaturen (-40°C) zerstäubt werden, z. B. 1,5 l/h Dieselöl (sogenanntes Arctic-Diesel) mit ca. 6 W Wirkleistung. Bei Temperaturen oberhalb 10°C, wenn also das Heizgerät betriebswarm ist, fällt der Leistungsbedarf auf ca. 1 W ab.
- 2) bei f2=102 kHz entsteht ein vergleichsweise feiner Nebel (dh). Bei betriebswarmen Heizgerät reichen unter den genannten Bedingungen ca. 4 W Wirkleistung zur Zerstäubung aus.
Bei -40°C ist diese hohe Frequenz jedoch nicht mehr ein
setzbar. Die Tropfenabschleuderung ist selbst bei Wirk
leistungen von ca. 15 W nicht sicher beherrschbar. Die
mit der Frequenz stark angestiegenen mechanischen Ver
luste im Material des Ultraschallschwingers 11 erzeugen
zudem hohe örtliche thermische Belastungen in der an
regenden Piezzokeramik, was sich ebenfalls negativ auf
Betriebssicherheit und außerdem auf die Lebensdauer aus
wirkt.
Die die elektrische Anregungsenergie erzeugende Anre
gungsschaltung wird nun so ausgeführt, daß je nach Bedarf
f1 oder f2 angeregt werden kann. Die Anregungsschal
tung enthält einen selbstschwingenden Oszillator, dessen
Frequenz von der angeschlossenen Last, nämlich dem Ultra
schallschwinger, bestimmt wird. Durch Vorgabe entspre
chender Frequenzfenster, z. B.
für f1: Δf=45 kHz ... 55kHz
für f2: Δf=97 kHz ... 107 kHz
für f2: Δf=97 kHz ... 107 kHz
kann die Anregungsschaltung zum Einrasten auf die je
weile gewünschte Frequenz gezwungen werden.
Diese Frequenzfenster können z. B. durch schaltbare Tief
paßfilter realisiert werden, die sich in der Frequenz
regelschleife im Rückkopplungsweg vom Ultraschallzer
stäuber zu dem steuerbaren Oszillator befinden.
Fig. 2 zeigt eine Serienresonanzstelle bei einer Frequenz
f′=88 kHz. Diese Resonanzfrequenz ist unerwünscht, weil
bei dieser Frequenz der Zerstäuberteller 27 nicht zu
Biegeschwingungen angeregt wird und somit eine nutzbare
Zerstäubung nicht möglich ist. Durch Wahl der oben ange
gebenen Frequenzfenster wird aber eine Anregung mit der
unerwünschten Frequenz f′ vermieden.
Das Heizgerät wird nun so betrieben, daß während des
Kaltstarts, z. B. bei Temperaturen unter 0°C, von der
Heizgerätsteuereinrichtung, die den zeitlichen Funktions
ablauf des Heizgerätes bestimmt, an die Anregungsschal
tung ein Steuersignal zur Einschaltung des Frequenz
fensters Δf1 gegeben wird. Wenn dann nach einigen
Minuten die Anheizphase des Heizgerätes beendet ist,
meldet ein Temperaturfühler der Heizgerätsteuereinrich
tung das Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur
schwelle. Die Anregungsschaltung wird jetzt auf das
Frequenzfenster Δf2 und somit auf Betrieb mit f2
umgeschaltet.
Die durch den grobtropfigen Flüssigkeitsnebel erzwungene
Verbrennung von Brennstoffflüssigkeit mit verminderter
Güte dauert deshalb nur kurze Zeit an.
Wird das Heizgerät mit Temperaturregelung betrieben,
bei welcher es gemäß einer Zweipunktregelung zu vor
übergehenden Abschaltungen kommt, wird die tiefe Frequenz
f1 nur für den Erst-(Kalt)start benötigt. Die folgenden
häufigen Regelstarts im Ein/Ausbetrieb können mit f2
erfolgen, da das Heizgerät in den Regelpausen nicht
so stark abkühlt, daß ein erneuter Start mit f1 er
forderlich wäre.
Eine erste bevorzugte Ausführungform eines erfindungsge
mäßen Ultraschallzerstäubers ist in Fig. 3A gezeigt.
Zu einem Ultraschallwandler 33 sind zwei Abstimminduk
tivitäten Lo1 und Lo2 parallel angeordnet. In Abhängig
keit von der Schaltstellung eines steuerbaren Schalters
35 ist dem Ultraschallwandler 33 entweder die Abstimm
induktivität Lo1 oder die Abstimminduktivität Lo2 paral
lelgeschaltet. Diese Parallelschaltung liegt über An
schlußstellen A und B parallel zu einer Reihenschaltung,
welche die Sekundärwicklung eines Übertragers 37 und
einen Sensorwiderstand 39 aufweist.
Die beiden Enden der Primärwicklung des Übertragers 37
sind an die Ausgangsseite eines Leistungsverstärkers 41
angeschlossen.
Der Verbindungspunkt zwischen der Sekundärwicklung des
Übertragers 37 und dem Sensorwiderstand 39 ist über ein
Tiefpaßfilter 43, das im Betriebsfrequenzbereich der
Anregungsschaltung einen linearen Phasengang hat, an den
Eingang eines Schwellenwertverstärkers 45 angeschlossen.
Dessen Ausgang bildet einen ersten Eingang 47 eines
Phasendetektors 49, dessen Ausgang über ein Schleifen
filter 51 an den Eingang 53 eines spannungsgesteuerten
Oszillators (VCO) 55 angeschlossen ist. Der Ausgang des
VCO 55 ist einerseits an den Eingang des Leistungsver
stärkers 41 und andererseits über einen -90°-Phasen
schieber an einen zweiten Eingang 57 des Phasendetektors
49 angeschlossen.
Das Schleifenfilter 51 ist als Integrierschaltung mit
hoher Gleichspannungsverstärkung von mindestens etwa
50 dB, typischerweise etwa 100 dB ausgebildet. Zu diesem
Zweck ist ein Differenzverstärker 59 vorgesehen, dessen
invertierender Eingang über einen Widerstand 61 mit dem
Ausgang des Phasendetektors 49 und über eine Reihenschal
tung aus einem Widerstand 63 und einem Kondensator 65 mit
dem Ausgang des Differenzverstärkers 59 verbunden ist.
Der nicht-invertierende Eingang des Differenzverstärkers
59 ist an den Teilspannungspunkt 67 eines Spannungstei
lers mit zwischen die beiden Pole einer Spannungsver
sorgungsquelle geschalteten Widerständen 69 und 71 ange
schlossen.
Der invertierende Eingang des Differenzverstärkers 59 ist
mit einem Wobbelgenerator 79 verbunden, und zwar über
einen steuerbaren Schalter 80.
Zwischen den Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators
55 und den Ausgang des Schwellenwertverstärkers 45 ist
ein zweiter Phasendetektor 101 geschaltet, dessen Aus
gangssignal auf einen ersten Steuereingang eines Umschal
ters 102 geführt ist. Ein zweiter Steuereingang des Um
schalters 102 ist mit dem Ausgang eines Temperaturfühlers
73 verbunden, der beim Überschreiten einer vorbestimmten
Temperaturschwelle ein Steuersignal auf den Umschalter
102 gibt.
Das Tiefpaßfilter 43 und der spannungsgesteuerte Oszil
lator 55 sind je mit einem Pfeil versehen, um anzudeuten,
daß sie zwischen unterschiedlichen Frequenzen umschaltbar
sind. Diese Pfeile sind über gestrichelte Linien mit dem
Ausgang des Umschalters 102 verbunden, um darzustellen,
daß die Umschaltung von Tiefpaßfilter 43 und spannungs
gesteuertem Oszillator 55 von dem Umschalter 102 ge
steuert wird.
Der steuerbare Schalter 80 wird von dem Ausgangssignal
des zweiten Phasendetektors 101 geschaltet.
Bevor auf die Funktionsweise der in Fig. 3A gezeigten
Anregungsschaltung eingegangen wird, sei noch prinzipiell
das Verhalten eines piezzoelektrischen Wandlers betrach
tet. Fig. 7 zeigt ein Ersatzschaltbild eines solchen
Wandlers. Diese besteht aus der Parallelschaltung einer
Kapazität C0 zu einer Reihenschaltung mit einer Induk
tivität L1, einer Kapazität C1 und einem Widerstand
R1. Mit C0 ist die Kapazität des Wandlers weit unter
halb der Resonanzfrequenz abzüglich C1 bezeichnet.
L1, C1 und R1 sind keine tatsächlichen Komponenten,
sondern elektrische Äquivalente, mit welchen die Funktion
eines piezoelektrischen Wandlers, der in der Nähe seiner
Resonanzfrequenz arbeitet, dargestellt werden kann. Üb
licherweise symbolisiert man mit L1 die schwingende
Masse des Wandlers, mit C1 dessen Elastizität und mit
R1 den mechanischen, reellen Widerstand.
Bei Serienresonanz sind die Blindwiderstände L1 und
C1 von gleichem Wert aber unterschiedlichen Vorzeichen,
so daß sie sich gegeneinander aufheben. Daraus ergibt
sich das in Fig. 8 gezeigte Ersatzschaltbild bei Serien
resonanz. Dabei erscheint der Wandler als reiner Wider
stand R1, dem die Kapazität C0 parallel geschaltet
ist.
Mit diesen Vorausbetrachtungen wird nun die Schaltung in
Fig. 3A hinsichtlich Funktion und Dimensionierungsge
sichtspunkten näher betrachtet.
Schaltet man in Fig. 3A dem Ultraschallwandler 33 eine
Induktivität parallel, deren Wert so gewählt ist, daß
sie bei der Serienresonanzfrequenz des Wandlers 33
mit C0 einen Parallelresonanzkreis bildet, dann bilden
diese Induktivität und die Kapazität C0 zusammen einen
sehr hohen Widerstand, so daß sie vernachlässigt werden
können. Bei Serienresonanz des Wandlers 33 sieht die
Treiberschaltung daher in der Parallelschaltung aus dem
Wandler 33 und der Induktivität eine Komponente mit rein
ohmschen Widerstand, entsprechend R1. Da der Wandler 33
zusammen mit der Induktivität als Gebilde mit rein ohm
schen Widerstand erscheint, ist der durch diese Parallel
schaltung fließende Strom im Resonanzpunkt des Wandlers
33, und nur dort, exakt in Phase mit der den Wandler
treibenden Spannung.
Die dem Wandler 33 parallel geschaltete Induktivität ist
nun je nach Schaltstellung des Schalters 35 die Induk
tivität Lo1, die das C0 des Wandlers 33 bei f1 weg
stimmt, oder die Induktivität Lo2, die das C0 des
Wandlers 33 bei f2 wegstimmt. Diese Induktivitäten
sind entsprechend f1 bzw. f2 dimensioniert.
Die in Fig. 3A gezeigte Schaltung nutzt das Prinzip, daß
im Resonanzpunkt des Wandlers 33 die Treiberspannung und
der Wandlerstrom in Phase sind. Sie enthält eine Schal
tung, die eine Art Phaseneinrastschleife mit hoher
Gleichspannungs-Schleifenverstärkung aufweist, um die
Phase der Wandlertreibspannung mit der Phase des re
sultierenden Wandlerstroms zu vergleichen. Die Schaltung
arbeitet in einer Weise, welche die Frequenz der Treiber
spannung automatisch auf einen Betriebspunkt bringt, in
welchem die Wandlerspannung und der Wandlerstrom in Phase
sind, d. h. auf die Resonanzfrequenz des Wandlers. Auf
grund der hohen Gleichspannungsschleifenverstärkung kann
die Schaltung auf den exakten Resonanzpunkt jedes Wand
lers "einrasten", vorausgesetzt, daß seine Resonanzfre
quenz innerhalb des für die Schaltung gewählten Be
triebsbereichs liegt. Es gibt keine Erhöhung des Phasen
fehlers, wenn sich die Resonanzfrequenz des Wandlers den
Grenzen des für die Schaltung gewählten Betriebsbereichs
nähert.
Der spannungsgesteuerte Oszillator 55 ist so ausgelegt,
daß er über einen festgelegten Frequenzbereich arbeitet,
der genügend breit ist, um alle möglichen Abweichungen
von der idealen Serienresonanzfrequenz des Wandlers abzu
decken. Solche Abweichungen können dadurch entstehen, daß
der Wandler extremen Temperaturwerten ausgesetzt wird,
daß der Wandler mit zu zerstäubender Flüssigkeit belastet
wird, durch Ablagerungen auf dem Wandler, Altern des
Wandlers und die Auswirkung von Herstellungstoleranzen.
Da der VCO 55 lediglich in dem festgelegten Frequenz
bereich arbeiten kann, ist ein Betrieb bei unerwünschten
harmonischen Frequenzen nicht möglich.
Das Ausgangssignal des VCO 55 wird von dem die Primär
wicklung des Übertragers 37 speisenden Leistungsverstär
ker 41 gepuffert und verstärkt. Um minimale Leistungsver
luste in dem Leistungsverstärker 41 zu erreichen, werden
die Ausgangstransistoren des Leistungsverstärkers 41 als
gesättigte Schalter betrieben, so daß sich am Ausgang des
Leistungsverstärkers 41 eine Rechteck-Ausgangsspannung
ergibt. Der Übertrager 37 erhöht die Treibspannung auf
einen Wert, der zum Treiben des Wandlers mit dem
gewünschten Leistungswert geeignet ist. Die Induktivi
tät der Sekundärwicklung des Übertragers 37 weist einen
viel höheren Wert auf als die Abstimminduktivität Lo1
bzw. Lo2, so daß die Sekundärwicklung des Übertragers 37
keinen Einfluß auf die Abstimmungskompensation der no
minellen Kapazität C0 des Wandlers 33 hat.
Die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung des Übertragers
37 wird über den Sensorwiderstand 39, der einen niedrigen
Widerstandswert aufweist, auf den Wandler 33 gegeben.
Da die nominelle Kapazität Co des Wandlers 33 durch
die Abstimminduktivität Lo1 bzw. Lo2 nahezu gänzlich
durch Kompensation eliminiert ist, und zwar ohne Beein
flussung durch die Sekundärwicklung des Übertragers 37,
wird der den Wandlerstrom abtastende Sensorwiderstand
39 nicht von dem hohen Strom beeinträchtigt, der zwischen
der Abstimminduktivität Lo1 bzw. Lo2 und der Kapazität
Co des Wandlers 33 zirkuliert. Der Sensorwiderstand 39
erzeugt in der den Sensorwiderstand 39 mit dem Tiefpaß
filter 43 verbindenden Leitung 75 ein Signal, das pro
portional ist zu dem Strom, der durch den Wandler fließt.
Bei der Serienresonanzfrequenz des Wandlers 33 ist das
stromproportionale Signal auf Leitung 75 exakt in Phase
mit der Wandlertreiberspannung. Unterhalb der Serien
resonanz eilt die Stromphase der Spannungsphase voraus,
so daß der Wandler kapazitiv erscheint. In dem Bereich
oberhalb der Serienresonanz, der unterhalb der Parallel
resonanz liegt, läuft das Stromsignal der Treiberspan
nung nach, so daß der Wandler 33 induktiv erscheint.
Oberhalb der Parallelresonanz erscheint der Wandler 33
wieder kapazitiv.
Da die Treiberspannung ein Rechtecksignal ist, ist der
resultierende Wandlerstrom reich an Harmonischen. Da
eine Aufgabe der Anregungsschaltung darin liegt, die
Phase der Wandlertreiberspannung mit der des resul
tierenden Stroms zu vergleichen, ist es erforderlich,
alle Harmonischen aus dem Stromsignal zu entfernen, um
eine fehlerhafte Betriebsweise der Schaltung zu ver
hindern. Die Verwendung eines üblichen Tiefpaßfilters
zur Entfernung dieser Harmonischen würde dem Stromsignal
eine frequenzabhängige Phasenverschiebung verpassen und
würde das Stromsignal somit nutzlos für den beabsichtig
ten Zweck machen.
Es wird daher ein Tiefpaßfilter mit linearem Phasen
gang verwendet, um die im Stromsignal vorhandenen Har
monischen auszuschalten, ohne die Phase des interessie
renden Signals zu beeinträchtigen. Vorteilhafterweise
erzeugt das Tiefpaßfilter 43 eine vernachlässigbare
Phasenverschiebung und Dämpfung über den gesamten Ar
beitsfrequenzbereich des VCO 55. Oberhalb der oberen
Grenze des Frequenzarbeitsbereichs des VCO 55 setzt
jedoch eine scharfe Dämpfung ein.
Das Ausgangssignal des einen linearen Phasengang auf
weisenden Tiefpaßfilters 43 ist ein rein sinusförmiges
Signal, bei dem es sich um die Grundfrequenzkomponente
des Stromsignals auf der Leitung 75 handelt. Alle Har
monischen, die von der rechteckförmigen Treiberspannung
herrühren, sind entfernt. Dieses bereinigte Stromsignal
wird mit Hilfe des Schwellenwertverstärkers 45 verstärkt
und als eines der beiden Eingangssignale des Phasen
detektors 49 verwendet. Der Schwellenwertverstärker 45
dient zwei Zwecken. Einmal verstärkt er das am Ausgang
des Tiefpaßfilters 43 vorhandene Signal niedrigen
Wertes auf ein Signal mit einem Wert, wie er von dem
Phasendetektor 49 benötigt wird. Bei der vorliegenden
Schaltung ist es günstig, für den Phasendetektor einen
Typ zu verwenden, der als Eingangssignal eine Rechteck
welle braucht. Daher wird die Verstärkung des Schwellen
wertverstärkers 45 auf einen sehr hohen Wert eingestellt.
Daher wirkt er auch wie ein Schmitt-Trigger, der das
erforderliche Rechteck-Ausgangssignal erzeugt. Die zweite
Funktion des Schwellenwertverstärkers 45 besteht darin,
Stromsignalen sehr niedrigen Pegels den Durchlaß zum
Phasendetektor 49 zu verwehren. Wenn der Wandler 33 bei
seiner Parallelresonanzfrequenz betrieben wird, ist der
ihn durchfließende Strom minimal. Da Spannung und Strom
auch bei Parallelresonanz in Phase sind, könnte die
Schaltung versuchen, auf den Parallelresonanzpunkt ein
zurasten. Da diese Schaltung aber für einen Betrieb bei
Serienresonanz optimiert ist, würde eine unrichtige Be
triebsweise entstehen, wenn die Schaltung auf den
Parallelresonanzpunkt einrastete. Dies wird dadurch ver
hindert, daß der Schwellenwert des Schwellenwertverstär
kers 45 so gewählt ist, daß der Strompegel bei Parallel
resonanz unterhalb des Schwellenwertes liegt. Daher kann
das bei Parallelresonanz auftretende Stromsignal nicht
durch den Schwellenwertverstärker 45 hindurch zum Phasen
detektor 49 gelangen und es kann nicht passieren, daß die
Schaltung versucht, auf den Parallelresonanzpunkt einzu
rasten.
Das dem zweiten Eingang 57 des Phasendetektors 49 zuge
führte Signal entspricht der Wandlertreiberspannung.
Es kann bequemerweise vom VCO-Ausgang abgenommen werden,
da zwischen dem Ausgangssignal des VCO 55 und dem hohen
Spannungssignal am Wandler 33 selbst nur eine sehr ge
ringe Phasendifferenz auftritt, so daß dieses Signal als
zweites Eingangssignal des Phasendetektors 49 verwendet
werden kann.
Bei dem Phasendetektor 49 handelt es sich vorzugsweise
um einen multiplizierenden Analog-Phasendetektor oder um
einen "pseudo-analogen" Phasendetektor, d. h. einen digi
talen Phasendetektor, dessen Verhalten dem eines multi
plizierenden analogen Phasendetektors sehr ähnlich ist,
wie eine digitale EXCLUSIV-ODER Verknüpfungsschaltung,
da diese Detektortypen eine hohe Toleranz gegenüber
elektrischem Rauschen aufweisen, das vorhanden sein wird
aufgrund des Anteils der Harmonischen im Ausgangssignal
der Anregungsschaltung. Ein multiplizierender Phasen
detektor arbeitet mit einer Nenn-Phasendifferenz von
90° zwischen seinen Eingängen, wenn der Phasenfehler 0
ist. Daher ist dem zweiten Eingang 57 ein -90°-Phasen
schieber 77 vorgeschaltet.
Verwendet man alternativ einen digitalen sequentiellen
Phasendetektor, der mit Phasendifferenz 0 zwischen
seinen Eingängen arbeitet, ist der -90°-Phasenschieber
77 wegzulassen. Der sequentielle Phasendetektor wird
jedoch wegen seiner Rauschempfindlichkeit weniger
empfohlen.
Das Ausgangssignal des Phasendetektors 49 enthält die
Summe und die Differenz der beiden Eingangsfrequenzen,
die dem Phasendetektor 49 zugeführt werden. Die beiden
Eingangsfrequenzen sind definitionsgemäß gleich, da der
Wandlerstrom die gleiche Frequenz aufweisen muß wie die
Wandlertreibspannung, obwohl zwischen beiden eine Phasen
differenz vorhanden sein kann. Daher ist die Differenz
0 Hz und die Summe doppelt so hoch wie die Eingangsfre
quenz. Das Schleifenfilter 51 wird zum Unterdrücken der
Summenfrequenz verwendet, so daß lediglich das Differenz
signal übrigbleibt, bei dem es sich um ein Gleichspan
nungssignal handelt, und dieses wird als Eingangssignal
zur Steuerung der Frequenz des VCO 55 benutzt.
Bei dem Schleifenfilter 51 handelt es sich um ein Tief
paßfilter, das anstelle eines üblicherweise verwendeten
passiven RC-Tiefpaßfilters in Form eines Integrators,
der zur Sicherstellung der Schleifenstabilität
modifiziert ist, ausgebildet ist. Das Schleifenfilter
51 dient zwei Zwecken.
Der erste Zweck besteht darin, wie bereits erwähnt,
die Summenfrequenzkomponente aus dem Ausgangssignal des
Phasendetektors 49 auszufiltern, so daß als Steuer
spannung am Eingang des VCO 55 nur eine Gleichspannung
übrigbleibt.
Der zweite Zweck des Schleifenfilters 51 ist sehr wichtig
für die Arbeitsweise dieser Schaltung. Er besteht darin,
eine sehr hohe Gleichspannungsverstärkung innerhalb der
Schleife zu erzeugen. Diese hohe Gleichspannungsschlei
fenverstärkung ermöglicht es der Schaltung, auf die
exakte Resonanzfrequenz des Wandlers einzurasten. Wäre
die Schleifenverstärkung niedrig, wäre die Phasenbe
ziehung zwischen den beiden Eingangssignalen des Phasen
detektors 49 nicht konstant 90°. Im Fall eines üblichen
RC-Tiefpaßfilters, wie es oft als Schleifenfilter ver
wendet wird, würde sich die Phasenbeziehung der beiden
Eingangssignale des Phasendetektors 49 von 0° am einen
Ende des VCO-Bereichs bis auf 180° am anderen Ende des
VCO-Bereichs ändern. Ein Phasenversatz von 90° würde
lediglich in der Mitte des VCO-Frequenzbereichs auf
treten. In diesem Fall würde der Wandler 33 nur dann mit
seiner Resonanzfrequenz betrieben, wenn diese sehr dicht
bei der Mittenfrequenz des VCO 55 läge. Die Verwendung
eines Verstärkers mit hoher Gleichspannungsverstärkung,
im vorliegenden Fall eines Integrators, der zwischen den
Phasendetektor 49 und den VCO 55 geschaltet ist, erzwingt
eine konstante Phasenverschiebung von 90° zwischen den
beiden Eingängen des Phasendetektors 49, unabhängig von
der Frequenz.
Der für das Schleifenfilter 51 verwendete Integrator ar
beitet folgendermaßen:
Die Spannung am Referenzeingang (nicht-invertierenden
Eingang) des Operationsverstärkers 59 ist auf den Wert
eingestellt, bei welchem der VCO 55 mit seiner Mitten
frequenz betrieben wird, und dies würde zwischen den
Eingängen des Phasendetektors 49 einen Phasenversatz
von 90° erzeugen. Da der Integrator bei eingerasteter
Schleife wie ein Verstärker mit hoher Gleichspannungs
verstärkung wirkt, ist nur eine sehr kleine Spannungs
abweichung am invertierenden Eingang bezüglich der Re
ferenzspannung am nicht-invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 59 erforderlich, um zu bewirken,
daß das Ausgangssignal des Integrators vom einen Extrem
zum anderen Extrem des Eingangsspannungsbereichs des
VCO 55 übergeht. Das bedeutet, daß das Ausgangssignal des
Phasendetektors 49 immer sehr dicht bei seinem mittleren
Punkt liegt und daher die Eingänge immer einen Phasenab
stand von 90° haben. Die Phasenänderung zwischen den Ein
gängen des Phasendetektors 49 wird um einen Faktor redu
ziert, der gleich der Gleichspannungsverstärkung des In
tegrators ist. Und diese liegt typischerweise bei etwa
100 dB.
Die integrierende Wirkung wird durch die Wirkung des Kon
densators 65 erzeugt. Die linear abnehmende Frequenzkenn
linie des Integrators liefert die gewünschte Tiefpaß
filterwirkung. Da die Schleife vom Typ zweiter Ordnung
ist, hat man die Integratorgrundschaltung mit den Wider
ständen 61 und 63 abgewandelt, um Schleifenstabilität
sicherzustellen.
Die Schaltung bildet eine Phaseneinrastschleife oder PLL-
Schaltung zweiter Ordnung. Das Eingangssignal der Schlei
fe ist das Stromsignal des Wandlers. Der Phasendetektor
49 vergleicht die Phase dieses Stromsignals mit der Phase
des VCO-Ausgangssignals, d. h., mit der Phase des Wandler-
Treibspannungssignals und verändert die Frequenz des
VCO 55, bis ein Phasenunterschied 0° zwischen dem Span
nungssignal und dem Stromsignal erscheint. Da der Betrieb
bei Parallelresonanz durch den Schwellenwertverstärker 55
blockiert ist, kann die Schaltung einzig und allein bei
Serienresonanz arbeiten.
Die beschriebene Anregungsschaltung betreibt einen piezo
elektrischen Wandler 33 also exakt bei seiner natürlichen
Serienresonanzfrequenz, vorausgesetzt, daß diese Reso
nanzfrequenz innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs
des VCO 55 liegt. Die Schaltung folgt den Änderungen der
Resonanzfrequenz, die aus den zuvor angegebenen Gründen
auftreten können. Für die Fähigkeit der Schaltung, genau
auf den Resonanzpunkt des Wandlers 33 einzurasten, macht
es keinen Unterschied, ob der Resonanzpunkt in der Mitte
oder an den Grenzen des Arbeitsbereichs des VCO 55 liegt.
Die Schaltung treibt den Wandler 33 immer so, daß dessen
Spannung und dessen Strom in Phase sind.
Um nun das mit dem Ultraschallzerstäuber und der Anre
gungsschaltung ausgerüstete Heizgerät erfindungsgemäß
zwischen der niedrigen Resonanzfrequenz für Kaltstartbe
trieb und der hohen Resonanzfrequenz für warmgelaufenen
Betrieb umschalten zu können, sind bei der in Fig. 3A
gezeigten Ausführungsform, wie bereits erwähnt, das Tief
paßfilter 43 und der VCO 55 zwischen einem niedrigeren
Arbeitsfrequenzbereich, der dem zuvor erläuterten Fre
quenzfenster Δf1 entspricht, und einem höheren Ar
beitsfrequenzbereich, der dem zuvor erwähnten Frequenz
fenster Δf2 entspricht, umschaltbar. Desweiteren
ist mittels des Schalters 35 zwischen den Abstimminduk
tivitäten Lo1 und Lo2 umschaltbar. Die Umschaltung
zwischen den beiden Arbeitsfrequenzbereichen wird über
den Umschalter 102 von dem Ausgangssignal des Temperatur
fühlers 73 gesteuert. Wird eine Temperatur unterhalb
einer vorbestimmten Temperaturschwelle, beispielsweise
0°C, ermittelt, wird ein Arbeitsfrequenzbereich des Tief
paßfilters 43 und des VCO 55 entsprechend dem Frequenz
fenster Δf1 gesteuert und die Abstimminduktivität Lo1
dem Wandler 33 parallel geschaltet. Liegt dagegen die er
mittelte Temperatur über dieser Temperaturschwelle, wird
ein Arbeitsbereich des Tiefpaßfilters 43 und des VCO 55
entsprechend dem oberen Frequenzfenster Δf2 ge
steuert und die Abstimminduktivität Lo2 dem Wandler 33
parallel geschaltet.
Beim Einschalten des mit dem beschriebenen Ultraschall
empfänger ausgerüsteten Heizgerätes bei einer Temperatur,
die unterhalb der vorbestimmten Temperaturschwelle liegt,
werden das Tiefpaßfilter 43 und der VCO 55 vom Umschal
ter 102 auf den niedrigen Arbeitsfrequenzbereich und wird
die Abstimminduktivität Lo1 wirksam geschaltet. Der
Schalter 80 ist geschlossen. Der Wobbelgenerator 79
ist daher mit dem Schleifenfilter 51 verbunden, und der
VCO 55 wird zum Auffinden der niedrigen Resonanzfrequenz
f1 durchgesteuert. Wird die Resonanzfrequenz f1 er
reicht, was vom zweiten Phasendetektor 101 festgestellt
wird, öffnet der Schalter 80 und die Schaltungsanordnung
rastet auf die niedrige Resonanzfrequenz ein. Gleichzei
tig wird der Umschalter 102 für ein Umschalten von Tief
paßfilter 43 und VCO 55 in Abhängigkeit vom Temperatur
fühler 73 freigegeben. Sobald die vorherbestimmte Tem
peraturschwelle überschritten wird, schaltet der Umschal
ter 102 das Tiefpaßfilter 43 und den VCO 55 auf die hohe
Resonanzfrequenz f2 um und wird die Abstimminduktivität
Lo2 wirksam geschaltet. Da f2 eine Oberwelle von f1
ist, kann der Schalter 80 geöffnet bleiben. Die Schal
tungsanordnung rastet dann ohne erneuten Wobbelvorgang
auf f2 ein.
Wird das Heizgerät bei einer Temperatur oberhalb der vor
bestimmten Temperaturschwelle eingeschaltet kann es vor
teilhaft sein, den Ultraschallschwinger anfangs bei f1
zu betreiben, um zunächst den Ultraschallschwinger von
übermäßiger Flüssigkeit zu befreien. Zu diesem Zweck kann
ein (nicht dargestelltes) Zeitglied vorgesehen sein, das
den Umschalter 102 nach einer vorbestimmten Zeitdauer
veranlaßt, von f1 auf f2 umzuschalten.
Bei einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung
kann ein solches Zeitglied anstatt eines Temperaturfüh
lers vorgesehen sein. Die Zeitkonstante des Zeitgliedes
wird dabei so bemessen, daß der Ultraschallschwinger so
lange bei f1 betrieben wird, daß auch beim Einschalten
des Heizgerätes bei sehr tiefer Temperatur sicher die
(bei dieser Ausführungsform nicht gemessene) Temperatur
schwelle erreicht wird.
Sind der Temperaturfühler 73 und ein Zeitglied vorge
sehen, empfiehlt es sich, dem Temperaturfühler Umschalt
priorität einzuräumen, damit nach dem Einschalten bei
niedriger Temperatur die Temperaturschwelle für den Über
gang von f1 nach f2 auf jeden Fall erreicht wird. Man
kann dann die Zeitkonstante des Zeitgliedes entsprechend
kürzer wählen.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungs
gemäßen Ultraschallzerstäubers ist in Fig. 3B gezeigt.
Diese Ausführungsform stimmt mit der in Fig. 3A gezeig
ten Ausführungsform überein, was den links von den An
schlußpunkten A und B befindlichen Schaltungsteil be
trifft. Lediglich der rechts von diesen Schaltungspunkten
befindliche Schaltungsteil ist anders. Im Zusammenhang
mit Fig. 3B wird daher nur dieser rechts von den Schal
tungspunkten A und B befindliche Schaltungsteil beschrie
ben.
Zur Umschaltung zwischen den beiden Resonanzanregungs
frequenzen f1 und f2 sind in Fig. 3A die beiden
Abstimminduktivitäten Lo1 und Lo2 vorgesehen, von denen
je nach Schaltstellung des Schalters 35 und somit unter
Steuerung des Umschalters 102 die eine oder die andere
Abstimminduktivität dem Wandler 33 parallel geschaltet
ist. Im allgemeinen sind die mit dem Schalter 35 zu
schaltenden Leistungen beträchtlich. Es kann daher von
Vorteil sein, eine solche Umschaltung zu vermeiden.
Eine derartige Lösung zeigt Fig. 3B.
In Fig. 3B sind dem Wandler 33 einerseits eine Abstimm
induktivität Lo und andererseits eine Reihenschaltung
aus einer Abstimminduktivität L2 und einem Kondensator
C2 parallel geschaltet. Der Wandler 33, die Abstimm
induktivitäten Lo und L2 sowie der Kondensator C2
bilden ein Netzwerk, das sowohl bei der tiefen Frequenz
f1 als auch bei der hohen Frequenz f2 eine Serien
resonanz des Wandlers 33 ermöglicht. Dieses Netzwerk ist
so dimensioniert, daß einerseits Lo und Co (siehe
Ersatzschaltbild in Fig. 8) und andererseits L2 und
C2 je eine Resonanz an unterschiedlicher Frequenzstelle
bilden. Sowohl die von Lo und Co als auch die von
L2 und C2 gebildete Resonanz liegen an einer geeig
neten Frequenzstelle zwischen f1 und f2.
Sind beide Resonanzschaltungen zusammengeschaltet, ent
stehen zwei verschiedene Parallelresonanzfrequenzen. Die
eine liegt unterhalb der normalen Resonanz von Lo/Co
und L2/C2, während die andere oberhalb davon liegt.
Die eine Parallelresonanzfrequenz wird so gewählt, daß
sie bei f1 liegt und tritt auf, wenn der kapazitive
Blindwiderstand des Zweiges L2/C2, der unterhalb
seiner eigenen Resonanzfrequenz kapazitiv ist, mit dem
induktiven Blindwiderstand des Zweiges Lo/Co, der
unterhalb seiner eigenen Resonanzfrequenz induktiv ist,
in Resonanz miteinander treten. Das Ergebnis ist eine
Parallelresonanzschaltung hoher Impedanz, welche die
Kapazität Co des Wandlers 33 bei f1 wegstimmt.
Der zweite Resonanzpunkt wird so gewählt, daß er bei f2
liegt und tritt auf, wenn der induktive Blindwiderstand
des Zweiges L2/C2, der oberhalb seiner eigenen Re
sonanzfrequenz induktiv ist, mit dem kapazitiven Blind
widerstand des Zweiges Lo/Co, der oberhalb seiner
eigenen Resonanzfrequenz kapazitiv ist, in Resonanz
tritt. Das Ergebnis ist eine zweite Parallelresonanz
schaltung hoher Impedanz, welche das Co des Wandlers 33
bei f2 wegstimmt.
Zusätzlich zu den beiden genannten Parallelresonanzen
tritt bei diesem Netzwerk auch eine einzige Serienreso
nanz auf. Dies ist die Serienresonanz von L2 und C2.
Bei dieser Serienresonanz erscheint ein sehr niedriger
Widerstand, der nahezu einem Kurzschluß gleicht, über dem
Ausgang des Treibergenerators. Normalerweise wäre dies
ein Problem. Nicht so im vorliegenden Fall, weil diese
Serienresonanz bei einer Frequenz zwischen f1 und f2
auftritt. Die Anregungsschaltung gemäß Fig. 3B arbeitet
aber niemals bei dieser Frequenz, da die beiden umschalt
baren Frequenzbereiche des VCO 55 diese Frequenz nicht
umfassen.
Zwei Beispiele für einen umschaltbaren VCO 55 gemäß der
Ausführungsformen nach Fig. 3A und 3B sind in den Fig.
4 und 5 gezeigt.
Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform eines VCO 55 ent
hält in einem Block 81 alle Schaltungskomponenten eines
VCO mit Ausnahme der den Frequenzbereich bestimmenden
Komponenten. Diese bestehen aus einem Kondensator 83 und
einem Widerstand 85, mit welchem die Breite des Arbeits
frequenzbereichs des VCO 55 eingestellt wird. Außerdem
ist eine Reihenschaltung mit Widerständen 87 und 91 vor
gesehen, deren gesamter Widerstandswert die Lage des
Arbeitsfrequenzbereichs auf der Frequenzskala bestimmt.
Der Gesamtwiderstandswert dieser Reihenschaltung ist
änderbar mit Hilfe eines Schalttransistors 93, der dem
Widerstand 91 parallel geschaltet ist. Ist Transistor 93
ausgeschaltet, wirkt Widerstand 91 mit und wird ein Ar
beitsfrequenzbereich in der unteren Frequenzlage, ent
sprechend dem unteren Frequenzfenster Δf1 bewirkt.
Ist der Schalttransistor 93 dagegen leitend geschaltet,
ist Widerstand 91 nach Masse überbrückt, so daß nur der
Widerstand 87 wirksam ist. Diese Betriebsweise des
Schalttransistors 93 bewirkt einen Arbeitsfrequenzbereich
des VCO 55 in höherer Frequenzlage, entsprechend dem
höheren Frequenzfenster Δf2.
Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform für einen um
schaltbaren VCO 55 stimmt mit der in Fig. 4 gezeigten
Ausführungsform überein, mit der Ausnahme, daß der
Widerstand 91 und der ihn überbrückende Schalttran
sistor 93 nicht vorhanden sind, daß dafür aber dem
Kondensator 83 ein weiterer Kondensator 95 parallel ge
schaltet ist, der mit Hilfe eines steuerbaren Schalters
97 wirksam und unwirksam geschaltet werden kann. Je nach
Schaltstellung des steuerbaren Schalters 97 entspricht
der Arbeitsfrequenzbereich des VCO 55 dem unteren Fre
quenzfenster Δf1 oder dem oberen Frequenzfenster
Δf2.
Der Steueranschluß des Transistors 93 bzw. des steuer
baren Schalters 97 wird entsprechend dem Ausgangssignal
des Temperaturfühlers 73 in den einen oder den anderen
Schaltzustand gebracht.
Eine Ausführungsform eines umschaltbaren Tiefpaßfilters
43 gemäß Fig. 3A und 3B ist in Fig. 6 gezeigt. Dieses
Tiefpaßfilter ist zweistufig und weist in jeder Stufe
eine Reiheninduktivität 99 bzw. 101 und eine Hauptquerka
pazität 103 bzw. 105 auf. Letzteren ist je eine Parallel
kapazität 107 bzw. 109 parallel geschaltet, die sich in
Reihenschaltung zu einem steuerbaren Schalter 111 bzw.
113 befindet. Die Steuereingänge der steuerbaren Schalter
werden von einem Signal gesteuert, das vom Ausgangssignal
des Temperaturfühlers 73 abhängt. Je nachdem, ob auf die
untere Resonanzfrequenz f1 oder die obere Resonanzfre
quenz f2 umgeschaltet werden soll, sind die steuerbaren
Schalter 111, 113 leitend oder nicht-leitend geschaltet.
Aus den bereits zuvor erläuterten Gründen ist das Tief
paßfilter 43 vorzugsweise als phasenlineares Tiefpaß
filter ausgebildet.
Claims (28)
1. Ultraschallzerstäuber zur Zerstäubung von Flüssig
keiten, insbesondere flüssigem Brennstoff im Zusammenhang
mit Heizgeräten,
mit einem Ultraschallschwinger (11), mit einem elektri sche Anregungsenergie in Ultraschallschwingungen um setzenden Ultraschallwandler (19; 33) und einer damit ge koppelten Zerstäuberplatte (27), deren Oberfläche zu zerstäubende Flüssigkeit von einem Flüssigkeitsvorrat zu geführt wird,
und mit einer elektrischen Anregungsschaltung, mittels welcher der Ultraschallschwinger (11) zu Resonanz schwingung angeregt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß ein oberschwingungsfähiger Ultraschallschwinger (11) vorgesehen ist,
daß die Anregungsschaltung zwischen verschiedenen Reso nanzanregungsfrequenzen (f1, f2) umschaltbar ist
und daß eine Umschaltsteuereinrichtung (73, 102) vorge sehen ist, die nach einem vorbestimmten Kriterium, z. B. temperatur- und/oder zeitabhängig, die Anregungsschaltung zur Abgabe einer niederfrequenten (f1) bzw. einer hoch frequenten (f2) Resonanzanregungsfrequenz veranlaßt.
mit einem Ultraschallschwinger (11), mit einem elektri sche Anregungsenergie in Ultraschallschwingungen um setzenden Ultraschallwandler (19; 33) und einer damit ge koppelten Zerstäuberplatte (27), deren Oberfläche zu zerstäubende Flüssigkeit von einem Flüssigkeitsvorrat zu geführt wird,
und mit einer elektrischen Anregungsschaltung, mittels welcher der Ultraschallschwinger (11) zu Resonanz schwingung angeregt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß ein oberschwingungsfähiger Ultraschallschwinger (11) vorgesehen ist,
daß die Anregungsschaltung zwischen verschiedenen Reso nanzanregungsfrequenzen (f1, f2) umschaltbar ist
und daß eine Umschaltsteuereinrichtung (73, 102) vorge sehen ist, die nach einem vorbestimmten Kriterium, z. B. temperatur- und/oder zeitabhängig, die Anregungsschaltung zur Abgabe einer niederfrequenten (f1) bzw. einer hoch frequenten (f2) Resonanzanregungsfrequenz veranlaßt.
2. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ultraschallschwinger (11) sowohl im nieder
frequenten als auch im hochfrequenten Bereich zur
Serienresonanz angeregt wird.
3. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anregungsfrequenz der Anregungsschaltung zwischen
einer Grundschwingung (f1) und einer Oberschwingung
(f2) des Ultraschallschwingers (11) umschaltbar ist.
4. Ultraschallzerstäuber nach mindestens einem der An
sprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Umschaltsteuereinrichtung (102) ein Zeitglied
aufweist, das nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer
seit Betriebsbeginn mit der niederfrequenten Resonanz
frequenz (f1) die Umschaltung auf den hochfrequenten
Resonanzbetrieb steuert.
5. Ultraschallzerstäuber nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Umschaltsteuereinrichtung (73, 102) einen Tem
peraturfühler (73) zur Ermittlung der Betriebstemperatur
aufweist, der je nach Unterschreiten oder Überschreiten
einer vorbestimmten Temperaturschwelle die Umschaltung
auf niederfrequenten bzw. auf hochfrequenten Resonanz
betrieb bewirkt.
6. Ultraschallzerstäuber nach Ansprüchen 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ultraschallzerstäuber bei Betriebsbeginn immer
mit der niedrigen Resonanzfrequenz (f1) gestartet wird
und dann, unter Priorität der Umschaltsteuerung durch den
Temperaturfühler (73), nach Ablauf der vorbestimmten
Zeitdauer, oder, wenn dann die Temperaturschwelle noch
nicht erreicht ist, nach Überschreiten der Temperatur
schwelle, die Umschaltung auf die höhere Resonanzfrequenz
(f2) erfolgt.
7. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperaturschwelle, bei deren Erreichen die An
regungsschaltung von der Abgabe der niederfrequenten
(f1) auf die Abgabe der hochfrequenten (f2) Resonanz
anregungsfrequenz umschaltet, bei 0°C liegt.
8. Ultraschallzerstäuber nach mindestens einem der An
sprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ultraschallschwinger (11) mit elektrischen An regungselektroden (23) versehene piezokeramische Scheiben (19) als Ultraschallwandler und einen an die Scheiben (19) angrenzenden Amplitudentransformator (15, 25) mit einem Bereich größeren Durchmessers (15) in seinem an die Scheiben (19) angrenzenden Bereich und einem Bereich kleineren Durchmessers (25) zwischen dem Bereich größeren Durchmessers (15) und der Zerstäuberplatte (27) aufweist,
und daß der Bereich kleineren Durchmessers (25) und die Zerstäuberplatte (27) mit einem Axialdurchgang (29) ver sehen sind, der mit einem Radialdurchgang (31) in dem Bereich größeren Durchmessers in Verbindung steht, der an einen Flüssigkeitsvorrat anschließbar ist, wodurch eine Flüssigkeitsleitung bis zur Zerstäuberoberfläche der Zerstäuberplatte (27) gebildet ist.
daß der Ultraschallschwinger (11) mit elektrischen An regungselektroden (23) versehene piezokeramische Scheiben (19) als Ultraschallwandler und einen an die Scheiben (19) angrenzenden Amplitudentransformator (15, 25) mit einem Bereich größeren Durchmessers (15) in seinem an die Scheiben (19) angrenzenden Bereich und einem Bereich kleineren Durchmessers (25) zwischen dem Bereich größeren Durchmessers (15) und der Zerstäuberplatte (27) aufweist,
und daß der Bereich kleineren Durchmessers (25) und die Zerstäuberplatte (27) mit einem Axialdurchgang (29) ver sehen sind, der mit einem Radialdurchgang (31) in dem Bereich größeren Durchmessers in Verbindung steht, der an einen Flüssigkeitsvorrat anschließbar ist, wodurch eine Flüssigkeitsleitung bis zur Zerstäuberoberfläche der Zerstäuberplatte (27) gebildet ist.
9. Ultraschallzerstäuber nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anregungsschaltung einen spannungsgesteuerten
Oszillator (55) aufweist, der in Abhängigkeit von der
Umschaltsteuereinrichtung (73, 102) mit einer zur nieder
frequenten (f1) oder zur hochfrequenten (f2) Re
sonanzanregungsfrequenz führenden Steuerspannung beauf
schlagt wird.
10. Ultraschallzerstäuber nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anregungsschaltung ein steuerbares Tiefpaßfilter
(43) aufweist, das in Abhängigkeit von der Umschalt
steuereinrichtung (73, 102) zum Durchlaß nur der nieder
frequenten oder der niederfrequenten und der hochfre
quenten Resonanzanregungsfrequenz gesteuert wird.
11. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein steuerbares Tiefpaßfilter (43) mit
linearem Phasengang verwendet wird.
12. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anregungsschaltung eine PLL-Schaltung mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (55) und einem Tiefpaß filter (43) aufweist
und daß die Betriebsfrequenz des spannungsgesteuerten Os zillators (55) und die Durchlaßfrequenz des Tiefpaß filters (43) in Abhängigkeit von der Umschaltsteuerein richtung (73, 102) auf die niederfrequente (f1) oder die hochfrequente (f2) Resonanzanregungsfrequenz um schaltbar ist.
daß die Anregungsschaltung eine PLL-Schaltung mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (55) und einem Tiefpaß filter (43) aufweist
und daß die Betriebsfrequenz des spannungsgesteuerten Os zillators (55) und die Durchlaßfrequenz des Tiefpaß filters (43) in Abhängigkeit von der Umschaltsteuerein richtung (73, 102) auf die niederfrequente (f1) oder die hochfrequente (f2) Resonanzanregungsfrequenz um schaltbar ist.
13. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Ultraschallwandler (33) eine Kompensationsein richtung (Lo1, Lo2; Lo, L2, C2) parallelgeschaltet ist, mittels welcher der Ultraschallwandler (33) auf eine niederfrequente (f1) oder eine hochfrequente (f2) Serienresonanzschwingung (f1) abgestimmt wird,
daß dem Ultraschallwandler (35) ein Stromsensor (39) zugeordnet ist, dessen Ausgangssignal einem ersten Ein gang (47) eines Phasendetektors (49) zugeführt wird, der einen mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten os zillators (55) verbundenen zweiten Eingang (57) auf weist,
und daß zwischen den Ausgang des Phasendetektors (49) und den Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (55) ein hochverstärkendes Tiefpaßfilter geschaltet ist, das die Summenfrequenzkomponente im Ausgangssignal des Phasendetektors sperrt.
daß dem Ultraschallwandler (33) eine Kompensationsein richtung (Lo1, Lo2; Lo, L2, C2) parallelgeschaltet ist, mittels welcher der Ultraschallwandler (33) auf eine niederfrequente (f1) oder eine hochfrequente (f2) Serienresonanzschwingung (f1) abgestimmt wird,
daß dem Ultraschallwandler (35) ein Stromsensor (39) zugeordnet ist, dessen Ausgangssignal einem ersten Ein gang (47) eines Phasendetektors (49) zugeführt wird, der einen mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten os zillators (55) verbundenen zweiten Eingang (57) auf weist,
und daß zwischen den Ausgang des Phasendetektors (49) und den Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (55) ein hochverstärkendes Tiefpaßfilter geschaltet ist, das die Summenfrequenzkomponente im Ausgangssignal des Phasendetektors sperrt.
14. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kompensationseinrichtung zwei Induktivi täten (Lo1, Lo2) aufweist, von denen mittels eines Schalters (35) entweder die eine (Lo1) oder die andere (Lo2) dem Wandler (33) parallel schaltbar ist, wobei die beiden Induktivitäten (Lo1, Lo2) so bemessen sind,
daß der Blindwiderstand der dem Wandler (33) eigenen Kapazität (Co) bei der unteren (f1) bzw. der oberen (f2) Resonanzanregungsfrequenz kompensiert wird.
daß die Kompensationseinrichtung zwei Induktivi täten (Lo1, Lo2) aufweist, von denen mittels eines Schalters (35) entweder die eine (Lo1) oder die andere (Lo2) dem Wandler (33) parallel schaltbar ist, wobei die beiden Induktivitäten (Lo1, Lo2) so bemessen sind,
daß der Blindwiderstand der dem Wandler (33) eigenen Kapazität (Co) bei der unteren (f1) bzw. der oberen (f2) Resonanzanregungsfrequenz kompensiert wird.
15. Ultraschallschwinger nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kompensationseinrichtung eine dem Wandler
(33) parallelgeschaltete Parallelschaltung mit einer
ersten Induktivität (Lo) in einem Parallelzweig und
einer Reihenschaltung aus einer zweiten Induktivität
(L2) und einem Kondensator (C2) im anderen Parallel
zweig aufweist und daß die Parallelschaltung im Verhält
nis zu der dem Wandler eigenen Kapazität (Co) so dimen
sioniert ist, daß der Blindwiderstand der dem Wandler
(Co) eigenen Kapazität sowohl bei der unteren (f1)
als auch bei der oberen (f2) Resonanzanregungsfrequenz
kompensiert wird.
16. Ultraschallzerstäuber nach mindestens einem der
Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß das hochverstärkende Tiefpaßfilter (51) eine Ver
stärkung im Bereich von etwa 50 dB bis 100 dB aufweist.
17. Ultraschallzerstäuber nach mindestens einem der
Ansprüche 13 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß das hochverstärkende Tiefpaßfilter (51) durch
einen Integrator gebildet ist.
18. Ultraschallzerstäuber nach mindestens einem der An
sprüche 13 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stromsensor (39) ein mit dem Ultraschallwandler
(33) in Reihe geschalteter Widerstand ist.
19. Ultraschallzerstäuber nach mindestens einem der
Ansprüche 13 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Stromsensor (39) und den ersten Eingang (47) des Phasendetektors (49) eine Schwellenwertschal tung (45) geschaltet ist, die nur Signale mit einer einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitenden Sig nalstärke durchläßt,
und daß der Schwellenwert derart bemessen ist, daß er oberhalb des bei Parallelresonanz des Ultraschallwand lers (33) auf den Eingang der Schwellenwertschaltung (45) gelangenden Signalwertes liegt.
daß zwischen den Stromsensor (39) und den ersten Eingang (47) des Phasendetektors (49) eine Schwellenwertschal tung (45) geschaltet ist, die nur Signale mit einer einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitenden Sig nalstärke durchläßt,
und daß der Schwellenwert derart bemessen ist, daß er oberhalb des bei Parallelresonanz des Ultraschallwand lers (33) auf den Eingang der Schwellenwertschaltung (45) gelangenden Signalwertes liegt.
20. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwellenwertschaltung (45) ein Schwellenwert
verstärker nach Art eines Schmitt-Triggers ist.
21. Ultraschallzerstäuber nach mindestens einem der
Ansprüche 9 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Ausgang des spannungsgesteuerten Os
zillators (55) und den Ultraschallwandler (33) ein
impedanzanpassender Treibertransformator (37) geschaltet
ist.
22. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensorwiderstand (39) mit der Sekundärwicklung
des Treibertransformators (37) in Reihe geschaltet ist.
23. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 21 oder 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Ausgang des spannungsgesteuerten Os
zillators (55) und die Primärwicklung des Treibertrans
formators (37) ein Leistungsverstärker (41) geschaltet
ist, der die Primärwicklung des Treibertransformators
(37) mit einer Rechteckschwingung beaufschlagt.
24. Ultraschallzerstäuber nach mindestens einem der
Ansprüche 20 bis 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwellenwertschaltung (45) ein Rechteckausgangs
signal liefert.
25. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein digitaler Phasendetektor (49) vorgesehen ist und
daß zwischen dem Ausgang des spannungsgesteuerten Os
zillators (55) und dem zweiten Eingang des Phasendetek
tors (49) ein -90°-Phasenschieber angeordnet ist.
26. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet,
daß der digitale Phasendetektor (49) eine EXKLUSIV-ODER-
Schaltung aufweist.
27. Ultraschallzerstäuber nach mindestens einem der An
sprüche 20 bis 24,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein multiplizierender Phasendetektor (49) vorgesehen ist
und daß zwischen dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (55) und dem zweiten Eingang (57) des multi plizierenden Phasendetektors (49) ein -90°-Phasenschieber (77) angeordnet ist.
daß ein multiplizierender Phasendetektor (49) vorgesehen ist
und daß zwischen dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (55) und dem zweiten Eingang (57) des multi plizierenden Phasendetektors (49) ein -90°-Phasenschieber (77) angeordnet ist.
28. Ultraschallzerstäuber nach mindestens einem der An
sprüche 13 bis 27,
dadurch gekennzeichnet,
daß das steuerbare Tiefpaßfilter (43) zwischen den
Stromsensor (39) und den Phasendetektor (49) geschaltet
ist.
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- 1990-10-04 DE DE59008408T patent/DE59008408D1/de not_active Expired - Fee Related
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