DE4208669A1 - Verfahren und anordnung zum anpassen eines ultraschall-generators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen eines Ultraschall-Generators an unterschiedliche Lasten sowie zu einer automatischen Leistungsregelung und eine Anordnung hierfür.

Anordnungen zur Erzeugung von Leistungsschall bestehen üblicherweise aus einem Frequenzgenerator, einem oder mehreren Ultraschall-Wandlern mit Wanne und dem darin befindlichen Reinigungsmedium mit dem Reinigungsgut.

Ein grundlegender Nachteil für eine konstante Ultraschall- Leistungsübertragung besteht in den sich betriebsbedingt ändernden Impedanzen im "mechanischen" Teil der Übertra­ gungskette. Als veränderliche Parameter hierfür seien beispielhaft genannt: Die mechanischen Abmaße des Wandlers, durch die weitgehend die Resonanzfrequenz festgelegt ist, die Anzahl und die Schwinggüte der Wandler, der Flüssigkeitsstand, das Ein- und Ausbringen des Reinigungsgutes, Temperaturänderungen etc.

Ändern sich z. B. die mechanischen Abmaße des Schallwandlers - und somit die Resonanzfrequenz, bei der der Schallwandler arbeitet - wird keine optimale Ultraschall-Leistung mehr an das Bad abgegeben und darüber hinaus können Schallwandler und/oder Generator zerstört werden.

Um wieder auf die optimale Leistungsabgabe zu kommen, müßte der Generator neu auf die jeweilige Resonanzfrequenz abgestimmt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, genau diese Anpassung des Generators an z. B. verschiedene Resonanzfrequenzen von Schallwandlern etc. zu automati­ sieren und für eine automatische Anpassung eines Ultraschall-Generators an beliebige Lasten bis zu einem vorgegebenen Sollwert eine automatische Leistungsregelung durchzuführen.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß eine automatische Impedanz-Anpassung zwischen Generator und Last mittels einer veränderbaren Induktivität durchgeführt wird.

Dadurch ist es möglich, einen Ultraschall-Generator optimal bei verschiedenen Frequenzen in ein vom Anwender zu definierenden Frequenzbereich zu betreiben. Beispielsweise kann dieser Frequenzbereich zwischen 20 und 50 KHZ liegen, bei einer Leistung von 2000 Watt. Nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren regelt sich die später beschriebene Anordnung von selbst innerhalb dieses definierten Frequenzbereiches auf eine optimale Leistungsabgabe ein.

Die Induktivität soll im übrigen innerhalb eines bestimmten Bereichs, beispielsweise in einem Verhältnis von 1 : 10 veränderbar sein.

Bei dem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Anordnung zum Betreiben eines Ultraschall-Generators soll dabei die tatsächliche Hochfrequenz-Leistung (Istwert) mit einer Leistungsanforderung (Sollwert) verglichen und durch Veränderung der Induktivität die Hochfrequenz-Leistung mit der Leistungsanforderung in Übereinstimmung gebracht werden.

Die Leistungsvorgabe, d. h. die Eingabe des Sollwertes kann beispielsweise auf manuellem Wege oder über eine Steuerung oder aber beispielsweise auch über eine Codierungserkennung innerhalb eines Steckers geschehen. Der Istwert kommt dagegen direkt von dem Ultraschall-Generator, so daß der Vergleich zwischen Istwert und Sollwert in einer entsprechenden Integratorstufe durchgeführt werden kann.

Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Anpassen eines Ultraschall-Generators an unterschiedliche Lasten sowie zu einer automatischen Lastregelung desselben soll dem Ultraschall-Generator eine Vorrichtung zum Verstellen einer Induktivität zugeordnet sein. Hierzu ist in der Regel innerhalb einer an den elektrischen Strom angeschlossenen Wicklung ein Kern vorhanden, wobei durch diese feststehende Anordnung eine feststehende, bestimmte Induktivität erzeugt wird. Im vorliegenden Fall soll aber die Induktivität veränderbar sein. Zu diesem Zweck soll bevorzugt die relative Lage von Kern zur Wicklung verändert werden können. Dies kann zum einen durch eine axiale Bewegung des Kerns oder aber auch durch ein Drehen des Kern geschehen, sofern der Kern eine unterschiedliche Ausgestaltung aufweist.

Ebenso ist denkbar, daß z. B. durch ein spiralförmiges Auseinanderziehen der Spulenwicklung um den Kern eine Induktivitätsänderung durchgeführt wird. Desgleichen kann der Kern auch beispielsweise aus zwei Kernhälften bestehen, deren Abstand zueinander verändert wird. Dabei können beide Kernhälften aufeinander zu oder voneinander weg bewegt werden. Eine Kernhälfte kann auch festliegen, während die andere Kernhälfte zu dieser festliegenden Kernhälfte hin oder von ihr weg bewegbar ist.

Die relative Bewegung von Kern und Wicklung soll auf motorischem Wege erfolgen, damit eine automatische Anpassung stattfinden kann. Hierzu kann beispielsweise mit dem Kern ein Motor gekoppelt sein, welcher der Einfachheit halber eine Gewindespindel antreibt, die den Kern bewegt.

Die gesamte Anordnung von Kern und Motor kann dann an einem entsprechenden Gestell angeordnet sein, wobei noch Sensoren zur Begrenzung der Endlage der bewegbaren Kern vorgesehen sind.

Diese Vorrichtung zum Verstellen der Induktivität für einen Ultraschall-Generator ist nur ein Teil der gesamten Anordnung. Oben wurde bereits der Integrator erwähnt, welcher die Ist- und Sollwerte ständig miteinander vergleicht und einen Treiber ansteuert, über den wiederum der eben beschriebene Motor für den bewegbaren Kern in Tätigkeit versetzt wird. Hierdurch kann laufend eine Anpassung der Istwerte an die Sollwerte stattfinden.

Durch dieses Vario-Impedanz-System ist ein optimaler Betrieb eines Ultraschall-Generators bei verschiedenen Resonanzfrequenzen, Betriebszuständen und/oder Leistungs­ vorgaben möglich.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 eine blockschaltbildliche Darstellung eines Regelkreises für einen Ultraschallschwinger;

Fig. 2 eine blockschaltbildliche Darstellung eines Impedanz- und Leistungssteuerungssystems;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verstellprin­ zips einer Induktivität.

Die vorliegende Anordnung soll eine automatische Anpassung eines Ultraschall-Generators 1 an beliebige Lasten bis zu einem bestimmten Höchstwert, z. B. 2000 Watt, ermöglichen. Gleichzeitig dient die Anordnung einer automatischen Leistungsregelung, wodurch ein optimaler Betrieb bei verschiedenen Frequenzen in einem vom Anwender zu definierenden Frequenzbereich, z. B. 20-50 KHZ, ermöglicht wird.

Hierzu ist mit dem Ultraschall-Generator eine Vorrichtung 2 zum Verstellen einer Induktivität verbunden, welche in ihrem Wert etwa im Verhältnis 1 : 10 veränderbar ist. Diese Vorrichtung 2 wird insbesondere zu Fig. 3 prinzipiell dargestellt.

Zwischen der Vorrichtung 2 und dem Ultraschall-Generator 1 ist noch eine Kapazität 3 geeigneter Größe in Reihe geschaltet, durch welche die Variation der Gesamtimpedanz des Systems noch erheblich erweitert werden kann. An diese Kapazität 3 schließt ein Hochfrequenz-Überträger 4 an, dessen beiden Ausgänge 5 und 6 mit dem Ultraschall- Generator 1 gekoppelt sind.

Ferner ist mit den Ausgängen 5 und 6 zwischen dem HF- Übertrager 4 und dem Ultraschall-Generator 1 ein Multiplizierer 7 verbunden, welcher an einen Integrator 8 eine Spannung liefert, welche dem Produkt aus Hochfrequenz- Spannung und Hochfrequenz-Strom entspricht. Diese Spannung ist äquivalent zur Hochfrequenz-Wirkleistung.

Einen entsprechenden Sollwert für die Hochfrequenz-Leistung liefert eine Leistungsvorgabe 9, in welcher beispielsweise manuell ein Sollwert eingegeben werden kann. Ferner ist auch die Eingabe über eine entsprechende Fremdsteuerung (SPS-Steuerung) möglich oder aber eine Codierungserkennung in einem Stecker.

Diese Leistungsanforderung wird im Integrator 8 mit der Hochfrequenz-Wirkleistung aus dem Multiplizierer 7 verglichen. Entsprechend dem Differenzwert zwischen Leistungsanforderung und Leistungs-Istwert wird eine Spannung an einen Treiber 10 abgegeben, welcher wiederum einen Motor 11 ansteuert. Dieser Motor 11 ist der Vorrichtung 2 zum Verstellen einer Induktivität zugeordnet, so daß über den Motor 11 die Induktivität verstellt wird.

Über einen Phasenkomparator 12, der eine Phase von Strom und Spannung einer Endstufe 13 ermittelt, die auch mit der Vorrichtung 2 zum Verstellen einer Induktivität in Verbindung steht, wird eine Gegenspannung an den Treiber 10 geliefert, sobald die Hochfrequenz-Spannung und der Hochfrequenz-Strom in Phase sind bzw. sobald der Hochfrequenz-Strom der Spannung nicht mehr nacheilt, also nicht mehr induktiv wirkt.

Der Endstufe 13 ist dann noch eine Ansteuerung 14 und ein Netzteil 15 mit Entstörung zugeordnet.

Die gesamte Anordnung wird als Vario-Impedanz-System bezeichnet. Dieses Vario-Impedanz-System ist in Fig. 2 mit 20 gekennzeichnet. Es ermöglicht auf der Basis einer zuvor automatisch ermittelten Resonanzfrequenz einer ange­ schlossenen Last 21 eine optimale Anpassung zwischen Generatorendstufe 13 und Last 21, d. h., die bei der Resonanzfrequenz ermittelten Werte eines Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung und deren Leistungsprodukt werden mit der Leistungsvorgabe verglichen, um dann das Vario-Impedanz-System optimal verändern zu können. D.h., in dem entsprechenden Integrator und Treiber 8/10 sowie Phasenkomperator 12 wird von der Last, die HF-Spannung UL, der HF-Strom IL und dem HF-Phasenwinkel eingegeben und mit der Endstufenspannung U und dem Endstufenstrom I verglichen. In einer entsprechenden Sweep-Stufe 22 soll dann eine Gleichphasigkeit erreicht werden, wobei der gewünschte Phasenwinkel Last ρ_L ein Minimum darstellt und dort die gewünschte Resonanzfrequenz bildet.

Eine entsprechende Vorrichtung 2 zum Verstellen einer Induktivität weist gemäß Fig. 3 einen Kern 25, welcher von einer Wicklung 26 umfangen ist. Kern 25, oder auch ein aus mehreren Teilen bestehender Kern, und Wicklung 26 sind im Verhältnis zueinander lageveränderbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt dies durch Abnahme der Drehbewegung einer Gewindespindel 27, welche über den Motor 11 in Drehbewegung versetzt wird.

Zur Begrenzung des Verstellweges und somit der Induktivitätsänderung ΔL sind noch zwei Sensoren 28 und 29 vorgesehen, welche die Endlage der Bewegung des Kernes 25, der Kerne bzw. der Wicklung 26 in begrenzen.

Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist die folgende:

Im Integrator 8 erfolgt ein Vergleich des Leistungs- Sollwertes aus der Leistungsvorgabe 9 mit dem Leistungs- Istwert aus dem Multiplizierer 7. Liegt der Leistungs- Istwert unter dem Leistungs-Sollwert, so wird über den Integrator der Treiber 10 und über diesen der Motor 11 so angesteuert, daß die Lage des Kerns 25 gegenüber der Wicklung 26 verändert und die Induktivität kleiner, die Hochfrequenz-Leistung dadurch jedoch größer wird. Dies geschieht so lange, bis Soll- und Istwert übereinstimmen.

Ist umgekehrt die Leistungsanforderung kleiner als der Ist­ wert der Leistung, wird mittels der vorliegenden Anordnung das Verhältnis von Wicklung 26 zu Kern 25 so verändert, daß der induktive Widerstand größer wird und die Leistung absinkt.

Ein Optimum ist dann erreicht, wenn Strom und Spannung der Endstufe 13 gleichphasig sind. Um zu verhindern, daß dieser Punkt überschritten wird, liefert der Phasenkomparator 12 in der Regelstufe eine Gegenspannung, damit die Kernbewegung stoppt bzw. fortfährt. Andernfalls würde sich der induktive Widerstand beispielsweise bei einer weitergehender Bewegung des Kerns weiter verkleinern, wodurch die Endstufe kapazitiv wirkt und die Leistung wieder abfällt.

Claims (14)

1. Verfahren zum Anpassen eines Ultraschall-Generators an unterschiedliche Lasten sowie zu einer automatischen Leistungsregelung desselben, dadurch gekennzeichnet, daß eine automatische Impedanzanpassung zwischen Generator und Last mittels einer veränderbaren Induktivität durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tatsächliche Hochfrequenz-Leistung (Istwert) mit einer Leistungsanforderung (Sollwert) verglichen und durch Veränderung der Induktivität die Hochfrequenz-Leistung mit der Leistungsanforderung in Übereinstimmung gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Leistungsanpassung sich nach den zuvor ermittelten Parametern der Last, wie Betriebszustände, Frequenz, etc., richtet.

4. Anordnung zum Anpassen eines Ultraschall-Generators an unterschiedliche Lasten sowie zu einer automatischen Leistungsregelung desselben, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ultraschall-Generator (1) eine Vorrichtung (2) zum Verstellen einer Induktivität zugeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorrichtung (2) ein Kern (25) vorgesehen und von einer entsprechenden Wicklung (26) umfangen ist, wobei die relative Lage von Kern (25) zur Wicklung (26) veränderbar ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (25) aus Kernteilen besteht, deren Abstand zueinander veränderbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kern aus einem Stab besteht, der in der Wicklung verschiebbar angeordnet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wicklung (26) gegenüber dem Kern (25) lageveränderbar ist.

9. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Wicklung (26) auseinanderziehbar sind.

10. Anordnung nach weingstens einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Endlagenbegrenzung der relativen Bewegung von Kern (25) und Wicklung (26) Sensoren (28, 29) vorgesehen sind.

11. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 3-10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Vorrichtung (2) zum Verstellen der Induktivität und dem Ultraschall- Generator (1) eine Kapazität (3) und gegebenenfalls ein HF- Übertrager (4) angeordnet ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung des Leistungs-Istwertes auf einen Integrator (8) ein Multiplizierer (7) vorgesehen, wobei der Integrator (8) noch mit einer Leistungsvorgabe (9) verbunden ist.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (8) einen Treiber (10) anspricht, welcher den Motor (11) steuert.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Treiber (10) noch ein Phasenkomparator (12) verbunden ist, der andererseits mit einer Entstufe (13) in Verbindung steht.