DE4412900A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen des Einsetzens einer Überflutung eines Ultraschallzerstäubers - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen des Einsetzens einer Überflutung eines UltraschallzerstäubersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1
und einen Ultraschallzerstäuber gemäß Oberbegriff des Anspruchs 3.
Die Erfindung befaßt sich mit Ultraschallgeneratoren, die in Verbindung
mit Ultraschallschwingern verwendet werden, die als Zerstäuber für
Flüssigkeiten benutzt werden. Genauer gesagt befaßt sich die Erfindung
mit einem Verfahren und mit einer Vorrichtung zum zuverlässigen Fest
stellen des Zustandes, daß der Zerstäuber überflutet worden ist und die
Zerstäubung eingestellt hat, und zum darauffolgenden Befreien des
Zerstäubers von überschüssiger Flüssigkeit und zur Wiederherstellung
eines stabilen Betriebes bei der Resonanz des Ultraschallschwingers.
Es sind zahlreiche Schaltungen bekannt, die dazu verwendet werden
können, einen Ultraschallschwinger bei brauchbaren Leistungswerten zu
betreiben. Diese Ultraschallschwinger werden üblicherweise aus einem
piezoelektrischen Keramikmaterial hergestellt, das elektromechanische
Resonanzeffekte aufweist, die für viele piezoelektrischen Vorrichtungen
typisch sind. Wenn solche piezoelektrischen Vorrichtungen bei einer
ihrer natürlichen Resonanzfrequenzen betrieben werden, kann eine
enorme Verbesserung der Umwandlung elektrischer Energie in mechani
sche Energie erreicht werden, wenn die resultierenden Schwingungen
durch Verwendung eines geeigneten Horns verstärkt werden.
Eine bekannte Anwendung von Ultraschallwellen liegt in der Zerstäu
bung von Flüssigkeiten, insbesondere Brennstofföl. Hierfür wird ein
piezoelektrischer Wandler oder Schwinger so konstruiert, daß Brennstoff
in Form eines Brennstoffilms über eine Zerstäubungsoberfläche seines
Horns fließen kann. Wenn der Ultraschallschwinger bei einer seiner
natürlichen Resonanzfrequenzen mit ausreichender Amplitude angeregt
wird, wird die Schicht aus Brennstoffflüssigkeit, die das Horn bedeckt,
von dessen Oberfläche in Form eines Nebels aus feinen Tröpfchen abge
schleudert. Ein derartiger Ultraschallschwinger oder Ultraschallwandler
findet Anwendung als Einrichtung zur Zerstäubung, des Brennstoffs in
einem Ölbrenner, indem er beispielsweise die gewöhnlich verwendete
Hochdruckzerstäubungsdüse ersetzt.
Während der Zerstäubung und für einen festen Systemwirkungsgrad gibt
es eine definierte Beziehung zwischen der Viskosität und dem Flüssig
keitsdurchsatz und der zur Aufrechterhaltung der Zerstäubung erforderli
chen minimalen Energie. Daher ist eine zunehmende Energie erforder
lich, wenn die Viskosität und/oder der Flüssigkeitsdurchsatz zunehmen.
Für irgendeinen gegebenen Energiewert bewirkt eine übermäßige
Flüssigkeitsviskosität oder ein übermäßiger Flüssigkeitsdurchsatz, daß
der Zerstäuber überflutet wird und die Zerstäubung aufhört.
Im Fall eines Ultraschallzerstäubers, der zum Zerstäuben von Brennöl in
einem Ölbrenner verwendet wird, stellt die Notwendigkeit, das Verhält
nis von Luft zu Brennstoff für einen optimalen Betrieb genau zu steuern,
sicher, daß der Brennstoffdurchsatz genau festgelegt ist. Die Viskosität
des Brennstoffs kann jedoch in weitem Ausmaß variieren, und zwar als
Ergebnis des Betriebes über einen großen Umgebungstemperaturbereich
oder der Verwendung von verschiedenen Brennstoffarten. Es stellt daher
eine realistische Möglichkeit dar, daß von Zeit zu Zeit eine Überflutung
des Zerstäubers auftreten kann und es somit ein notwendiges Erfordernis
eines zum Treiben eines solchen Zerstäubers verwendeten Ultraschall
generators ist, daß er erkennen kann, wenn eine Überflutung des Zer
stäubers aufgetreten ist, und daß er sich darüberhinaus aus diesem
Zustand befreien kann.
Ein bekanntes Verfahren zur Feststellung des Auftretens einer Über
flutung besteht darin, zu überwachen, ob der Zerstäuber nicht mehr bei
seiner gewählten Resonanzfrequenz getrieben wird. Die dafür erforderli
che Schaltung ist im allgemeinen lediglich eine Erweiterung derjenigen
Schaltung, die verwendet wird, um die Resonanz des Ultraschallwand
lers aufzufinden und dieser Resonanz zu folgen. Betrachtet man speziell
Ultraschallgeneratoren, bei denen die Resonanzfrequenz des Ultraschall
wandlers dadurch aufgefunden und dieser Resonanzfrequenz gefolgt
wird, daß die Phase der Treibspannung mit der Phase des resultierenden
Wandlerstroms verglichen und die Treiberfrequenz geändert wird, bis
die Treiberspannung und der Wandlerstrom in Phase sind, wird dann
angenommen, daß der Zerstäuber überflutet ist, wenn die Treiberspan
nung und der resultierende Wandlerstrom phasenungleich werden. Wenn
dies auftritt, wird der Ultraschallgenerator typischerweise dazu gebracht,
einen Frequenzdurchlauf des Ultraschallwandlers über einen bestimmten
Frequenzbereich zu beginnen, bis der Resonanzpunkt wieder gefunden
ist. Für Ultraschallgeneratoren, die eine andere Methode der Resonanz
ermittlung verwenden, nämlich das Aufspüren der Frequenz, bei welcher
der Wandlerstrom ein Maximum (für Betrieb bei Serienresonanz) oder
ein Minimum (für Betrieb bei Parallelresonanz) aufweist, wird angenom
men, daß der Zerstäuber überflutet ist, wenn der Strom nicht mehr den
maximalen bzw. minimalen Wert aufweist. Auch in diesem Fall beginnt
der Ultraschallgenerator typischerweise mit einem Frequenzdurchlauf für
den Ultraschallwandler über einen bestimmten Frequenzbereich, um zu
versuchen, das Amplitudenmaximum oder Amplitudenminimum zu loka
lisieren und wieder zu einem stabilen Betrieb zurückzugelangen.
Eine weitere bekannte Methode für das Feststellen einer Zerstäuberüber
flutung macht Verwendung von der Verringerung des "Q" des Reso
nanzsystems, die bei einer Überflutung des Zerstäubers auftritt. Wenn
bei dieser Methode der Wert des Wandlerstroms unter einen bestimmten
Schwellenwert abfällt, wird angenommen, daß der Zerstäuber übermäßig
gedämpft wird und daher überflutet ist. Wiederum beginnt der Ultra
schallgenerator typischerweise mit einem Frequenzdurchlauf, um zu
versuchen, den Zerstäuber von übermäßiger Flüssigkeit zu befreien und
wieder zur Systemresonanz zurückzukehren.
Beide zuvor erläuterten Methoden der Feststellung einer Überflutung
haben sich jedoch als unzuverlässig bei der Feststellung einer Zerstäu
berüberflutung erwiesen. Der Hauptgrund hierfür liegt an der Unfähig
keit dieser Methoden, einen üblichen Überflutungsmechanismus zuver
lässig zu detektieren.
Dies sei nun etwas genauer erläutert. Bei einem typischen Ultraschallzer
stäuber läßt man die zu zerstäubende Flüssigkeit durch ein Loch fließen,
das axial durch die Länge des Horns gebohrt ist und in der Mitte der
Hornfläche austritt. Von hier fließt die zu zerstäubende Flüssigkeit in
einem Flüssigkeitsfilm auf der Hornfläche radial nach außen. Wenn die
Flüssigkeit von Schwingungsknoten in der Hornmitte nach außen fließt,
wird sie einer erhöhten Beschleunigung ausgesetzt, und zwar aufgrund
der Ultraschallschwingungen, die am extremen Umfang der Hornfläche
ein Maximum aufweisen. Bevor die Flüssigkeit zum Hornumfang ge
langt, erreicht sie normalerweise einen Punkt, an dem die Beschleuni
gung ausreicht, um die Flüssigkeit von dem Horn in Form eines Nebels
zerstäubter Flüssigkeit abzuschleudern. Die Zerstäubung tritt somit
hauptsächlich in einer relativ engen ringförmigen Zone auf der Zerstäu
beroberfläche auf. Der mittlere Radius dieser Zerstäubungszone bezüg
lich des Hornradius wird für den Energiewert und den Wirkungsgrad
eines gegebenen Systems hauptsächlich durch die Viskosität der Flüssig
keit und deren Flüssigkeitsdurchsatz bestimmt.
Im Fall der Verwendung des Zerstäubers für das Zerstäuben von Brenn
stoff in einem Brenner über einen ausgedehnten Temperaturbereich ist
zwar, wie bereits erwähnt, der Brennstoffdurchsatz in engem Maß
gesteuert, kann jedoch die Brennstoffviskosität weitläufig variieren. Es
ist daher nicht ungewöhnlich, daß die Brennstoffviskosität von Zeit zu
Zeit so hoch ist, daß der Brennstoff bei einem bestimmten Energiewert
den ganzen Weg bis zum Rand der Hornfläche fließt und trotzdem nicht
genug Energie erhält, um vom Horn abgestoßen und zerstäubt zu wer
den.
Wenn dieser Zustand rasch eintritt, sammelt sich der Brennstoff unmit
telbar an dem Außenumfang des Horns und die rasche und sehr wesent
liche Zunahme der Dämpfung, die unmittelbar auftritt, führt dazu, daß
der Ultraschallgenerator die Kontrolle über die Wandlerfrequenz verliert.
Dies führt zu einem vollständigen Einstellen der Zerstäubung, wobei der
Brennstoff von der Zerstäuberoberfläche praktisch genauso herabläuft als
wäre der Ultraschallgenerator einfach abgeschaltet worden. In diesem
Fall wird das System so stark gedämpft und/oder so weit ab von der
Resonanz getrieben, daß die Umwandlung von elektrischer Energie in
mechanische Energie am Ultraschallwandler vernachlässigbar ist. Diese
abrupte Form des Überflutens ist generell feststellbar mittels einer der
oben angegebenen Methoden.
Ein Überflutungsmechanismus, der sehr viel schwerer festzustellen ist,
tritt auf, wenn die Überflutung des Zerstäubers langsam beginnt. Dies
tritt beispielsweise auf, wenn das Flüssigkeitsvolumen langsam in Rich
tung zu einem festgesetzten Durchsatz oder einer festgesetzten Durch
flußrate zunimmt, deren Größe die Durchflußrate übersteigt, für welche
eine Zerstäubung unter den vorhandenen Bedingungen hinsichtlich Vis
kosität und Energiewert aufrechterhalten werden kann. Da üblicherweise
die Verwendung eines Impulsdämpfers in der Brennstoffzufuhrleitung
einiger Ölbrenner erforderlich ist, um die durch die Wirkung der Brenn
stoffpumpe verursachten Durchflußimpulse zu glätten, tritt diese zuneh
mende Erhöhung des Brennstoffflusses in Richtung zu einer Durchfluß
rate im eingelaufenen stetigen Zustand in einem solchen System jedesmal
auf, wenn der Brennstofffluß gestartet wird. Diese Wirkung beruht auf
der Art des Impulsdämpfers, der als ein vorübergehendes Speicherreser
voir wirkt, das jeglichen raschen Änderungen in der Brennstoffmengen
zuführrate entgegensteht. Am Anfang, bevor die volle Brennstoffabgabe
auftritt, ist unter den vorhandenen Bedingungen hinsichtlich Brennstoff
viskosität und Energiewert die Durchflußrate niedriger als diejenige,
welche eine Überflutung verursacht. Wenn sich die Durchflußrate
erhöht, bewegt sich die Zerstäubungszone dichter zum Rand des Zer
stäuberhorns, und sie kann ganz bis zum Rand des Horns vordringen.
Wenn dies passiert, befindet sich der Zerstäuber an der Grenze zur
Überflutung. Da die Durchflußrate weiterhin langsam zunimmt, beginnt
die Zerstäubung abzubrechen, wenn sich flüssiger Brennstoff um den
Rand des Horns zu sammeln beginnt. Dieser Brennstoff erhöht die effek
tive Masse des Zerstäuberhorns und dies führt dazu, daß sich die natürli
che Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers leicht zu verringern be
ginnt. Dies wird von dem Ultraschallgenerator, hier auch Anregungs
schaltung genannt, festgestellt und führt dazu, daß der Ultraschallgenera
tor seine Ausgangsfrequenz entsprechend absenkt, um sie an die neue
Resonanz anzupassen. Dieser Vorgang dauert an, wobei sich mehr
Brennstoff auf der Oberfläche des Horns aufbaut und die Resonanzfre
quenz abnimmt, bis die Zerstäubung vollständig aufhört und sich eine
halbkugelförmige Brennstoffmasse, die von Stehwellen gehalten wird,
aufbaut und auf der gesamten Oberfläche des Zerstäuberhorns gehalten
wird. Überschüssiger Brennstoff, der von der Pumpe geliefert wird,
läuft nun einfach ab, was zu einem sehr stabilen System mit einem
aufgrund der Dämpfung durch die Flüssigkeit etwas niedrigerem "Q"
führt, das aufgrund der hinzugekommenen Flüssigkeitsmasse bei einer
etwas niedrigeren natürlichen Resonanzfrequenz arbeitet. Selbst wenn
der Brennstoffzufluß gestoppt wird, bleibt die Masse des Brennstoffs am
Horn haften und das System bleibt für viele Minuten in seinem neuen
Resonanzpunkt in einem nutzlosen Betrieb.
Der Zerstäuber ist nun vollständig überflutet. Es findet keine
Zerstäubung statt. Die oben beschriebenen Methoden zur Feststellung
der Überflutung sind jedoch nicht in der Lage, diesen Zustand zu detek
tieren, da sich das System tatsächlich in Resonanz befindet und das "Q"
des Systems nicht unvernünftig niedrig ist. Die einzige Möglichkeit der
Befreiung von dieser großen Menge überschüssigen Brennstoffs besteht
entweder darin, daß System abzuschalten, oder darin, die Frequenz
rasch auf einen ganz verschiedenen Wert zu treiben, beispielsweise auf
die minimale Frequenz des Frequenzbereichs. Dies eliminiert in beiden
Fällen die Stehwellen, die den überschüssigen Brennstoff halten, und der
Brennstoff fällt augenblicklich ab.
Mit der vorliegenden Erfindung sollen ein Verfahren und eine Schal
tungsanordnung zur Überwindung der geschilderten Probleme verfügbar
gemacht werden, mit denen einerseits zuverlässig das Einsetzen einer
Überflutung eines Ultraschallzerstäubers festgestellt und andererseits
überschüssige Flüssigkeit von einem überfluteten Ultraschallzerstäuber
entfernt und danach eine stabile Zerstäubung bei einer ausgewählten
Wandlerresonanzfrequenz der möglichen Wandlerresonanzfrequenzen
wieder aufgenommen wird.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Schaltungsanordnung sind
im Anspruch 1 bzw. im Anspruch 5 angegeben. Weiterbildungen hier
von sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Aus den vorausgehenden Betrachtungen ergibt sich als klares Erfordernis
für einen praktischen Ultraschallgenerator, daß er das tatsächliche Ein
setzen einer Überflutung eines zugehörigen Ultraschallzerstäubers fest
stellt. Lediglich festzustellen, daß sich der Ultraschallzerstäuber nicht im
Resonanzbetrieb befindet, kann nicht zur zuverlässigen Feststellung
führen, daß der Zerstäuber überflutet ist.
Im Gegensatz zu bekannten Methoden wird erfindungsgemäß die
Frequenz des Ultraschallgenerators bzw. der Anregungsschaltung über
wacht, während sie den Zerstäuber bei Resonanz treibt, und erfindungs
gemäß wird der geringe, jedoch relativ rasche Abfall der natürlichen
Resonanzfrequenz erfaßt, der durch die sich ansammelnde Flüssigkeits
masse verursacht wird und der nun als ein eine auftretende Überflutung
immer begleitender Umstand erkannt worden ist. Langsame Erhöhungen
oder Absenkungen der Resonanzfrequenz, wie sie durch Temperaturän
derungen verursacht werden, werden genauso ignoriert wie rasche Fre
quenzerhöhungen, wie sie beispielsweise verursacht werden, wenn ein
anfänglicher Suchvorgang zum Aufsuchen der gewünschten Resonanzfre
quenz durchgeführt wird. Vorteilhafterweise kann der Ultraschallwandler
durch einen anderen ersetzt werden, der gewöhnlich nicht exakt die
gleiche Resonanzfrequenz aufweist wie der ersetzte Ultraschallwandler,
ohne daß die Fähigkeit der Schaltung beeinträchtigt wird, eine Über
flutung des Zerstäubers festzustellen. Dies ist möglich, weil im Betrieb
die absolute Frequenz unbeachtet bleibt und lediglich ein Frequenz
verhältnis von Frequenzen, die in einem kurzen Zeitabstand betrachtet
werden, überwacht wird.
Wenn auf diese Weise einmal das Überfluten des Zerstäubers zuverlässig
festgestellt worden ist, wird der Ultraschallgenerator auf die minimale
Frequenz innerhalb seines Frequenzbereichs gezwungen. Dies führt zu
einem unmittelbaren Abbrechen der Stehwellenstruktur, die einen großen
Überschuß an Brennstoff an der Zerstäuberoberfläche des Horns halten
kann, was ein Abfallen des überschüssigen Brennstoffs ermöglicht.
Gleichzeitig wird von der die Überflutung feststellenden Schaltung ein
Signal zu einer Systemsteuereinrichtung geschickt, welche die Brenn
stoffpumpe vorübergehend abschaltet, und der Brennstofffluß beginnt
geringer zu werden, während sich der Brennstoffimpulsdämpfer entlädt.
Der Ultraschallgenerator muß nun versuchen, erneut auf die gewählte
Resonanzfrequenz des Zerstäubers einzurasten.
Die üblicherweise verwendete Methode des Frequenzdurchlaufs, die oft
als Hilfe zum Abschütteln überschüssiger Flüssigkeit und als Hilfe zum
Lokalisieren der Resonanzfrequenz angesehen wird, braucht bei der
Erfindung nicht verwendet zu werden. Diese Methode hat wenig Wert
beim Abschütteln von Flüssigkeit, da beim Frequenzdurchlauf lediglich
ein sehr kleiner Bruchteil der Gesamtzeit auf den Resonanzpunkt entfällt.
Die meiste Zeit entfällt auf Zustände außerhalb der Resonanz, wo
nahezu keinerlei mechanische Energie erzeugt wird. Gelegentlich mag
ein letzter einziger Tropfen an dem Rand des Horns haften bleiben, und
es ist möglich, daß die Aktion des Frequenzdurchlaufs diesen Tropfen
abschüttelt. Dies ist jedoch ohne tatsächlichen Nutzen, da ein einziger
Flüssigkeitstropfen nicht zu einer derart übermäßigen Dämpfung des
Zerstäubers führt, daß der Ultraschallgenerator nicht dessen Resonanz
punkt finden könnte. Die Methode des Frequenzdurchlaufs ist auch nicht
ein wirksamer Weg zum Lokalisieren von Resonanz. Denn während des
Vorgangs des Frequenzdurchlaufs ist die normale Rückkopplungsschlei
fe, die es dem Ultraschallgenerator bzw. der Anregungsschaltung er
laubt, in den Resonanzpunkt einzulaufen, abgetrennt. Wenn während des
Frequenzdurchlaufs ein Resonanzpunkt festgestellt wird, muß die
Frequenzdurchlaufschaltung abgetrennt werden und muß daraufhin die
Rückkopplungsschleife der Anregungsschaltung wieder aktivgeschaltet
und sehr rasch stabilisiert werden. Geschieht dies nicht, läuft die
Frequenzdurchlaufschaltung über den gewünschten Resonanzpunkt hinaus
und dieser wird nicht festgestellt.
Es ist oft folgendes festgestellt worden: Solange wesentliche Mengen
Flüssigkeit über die Oberfläche des Zerstäuberhorns fließen, beispiels
weise wenn die Pumpe arbeitet oder der Impulsdämpfer noch entlädt,
speziell bei niedriger Temperatur, bei welcher Brennstofföl eine relativ
hohe Viskosität erreichen kann, ist es dem Ultraschallgenerator nicht
möglich, den Resonanzpunkt des Ultraschallwandlers unter allen
Umständen zu finden. Dies liegt an der unzureichenden Schwingungs
energie, die verfügbar ist, um die schwere Brennstoffschicht von dem
Zerstäuberhorn wegzubringen, und zwar wegen des durch die
Dämpfungswirkung des Brennstoffs bewirkten niedrigen "Q". Die ein
zige Möglichkeit besteht darin, zu warten, bis der Brennstofffluß
dermaßen absinkt, daß die Dämpfung reduziert wird. Bevor dies eintritt,
bleibt jeglicher Aufwand zur Auffindung der Resonanz nutzlos.
Die Verwendung des Frequenzdurchlaufs als ein Mittel zum Lokalisieren
einer Resonanz ist daher aufgegeben worden. Statt dessen wird ein
Anregungsschaltungskonzept verwendet, das automatisch auf den
gewünschten Resonanzpunkt des Ultraschallwandlers konvergiert, ohne
daß ein Frequenzdurchlauf erforderlich wäre, vorausgesetzt, daß der
Ultraschallwandler nicht übermäßig gedämpft wird. Bei der Verwirkli
chung der Erfindung wird eine Anregungsschaltung verwendet, die der
in der US-PS 5,113,116 beschriebenen Anregungsschaltung recht ähnlich
ist. Dabei wird eine PLL-Schaltung mit sehr hoher Schleifenverstärkung
verwendet, um die Phase der Wandlertreibspannung mit der Phase des
resultierenden Wandlerstroms zu vergleichen. Das Ergebnis des Ver
gleichs wird dazu verwendet, die Frequenz der Treibspannung zu
ändern, bis die Treibspannung und der resultierende Wandlerstrom auf
Gleichphasigkeit eingerastet sind. Aus praktischen Gründen ist die Schal
tung für ein Einrasten auf eine Serienresonanz des Ultraschallwandler
optimiert worden. Obwohl Spannung und Strom auch bei Parallelreso
nanz in Phase sind, kann die Schaltung nicht auf diesen Resonanzpunkt
einrasten, da die PLL-Schaltung, die für das Einrasten auf Serienreso
nanz optimiert worden ist, natürlich von dem Parallelresonanzpunkt
weggezwungen wird. Falls Resonanz nicht festgestellt wird oder der
Zerstäuber überflutet wird, wird die Treibfrequenz auf die niedrigste
Frequenz in dem gewünschten Bereich zurückgestellt und die PLL-Schal
tung erhält die Möglichkeit für einen neuen Versuch, den gewünschten
Resonanzpunkt ohne andere Hilfe aufzusuchen. Dieser Vorgang wird
wiederholt, bis der Flüssigkeitsfluß durch den Zerstäuber bis zu einem
Punkt reduziert worden ist, an dem es möglich ist, die Serienresonanz
frequenz festzustellen und auf diese einzurasten.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen naher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum
Feststellen des Einsetzens einer Überflutung des
Ultraschallwandlers;
Fig. 2 ein Blockschaltbild der in Fig. 1 gezeigten Schaltung
in Kombination mit einer zusätzlichen Schaltungsan
ordnung zum Beenden der Überflutung und einem
Blockschaltbild einer bevorzugten Anregungsschaltung;
und
Fig. 3 eine Darstellung der Ultraschallwandlerfrequenz in
Abhängigkeit von der Zeit während verschiedener
Betriebszustände des Ultraschallwandlers.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung, die zum Feststellen des
Einsetzens einer Überflutung des Ultraschallwandlers verwendet wird.
Diese Schaltung wird benutzt in Verbindung mit und zur Steuerung eines
Ultraschallgenerators bzw. einer Anregungsschaltung, der bzw. die
später gezeigt und erläutert wird.
Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung wird hier auch Frequenzabfalldetektor
schaltung genannt.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt die Frequenzabfall
detektorschaltung einen Spitzenwertdetektor 20 und eine Offset-Addier
schaltung 22. Deren Eingänge sind gemeinsam mit einer Zuführungs
leitung 31 verbunden, der ein später noch erläutertes Signal zugeführt
wird, das der Frequenz des Ultraschallwandlers entspricht. Ein nicht-
invertierender Eingang eines Komparators 26 ist mit dem Ausgang des
Spitzenwertdetektors 20 verbunden. Ein invertierender Eingang des
Komparators 26 ist über ein Tiefpaßfilter 24 mit dem Ausgang der
Offset-Addierschaltung 22 verbunden. An den Ausgang des Komparators
26 ist eine monostabile Kippschaltung in Form eines Monoflop 28 ange
schlossen, das Ausgangsimpulse mit einer Impulsdauer von vorzugsweise
100 ms abgibt, wenn es eingangsseitig getriggert wird.
Der Spitzenwertdetektor 20 enthält einen Operationsverstärker 20-1,
dessen nicht-invertierender Eingang mit der Zuführungsleitung 31 ver
bunden ist und dessen Ausgang unter Zwischenschaltung einer Diode 20-
2 über eine Parallelschaltung aus einem Kondensator 20-3 und einem
Widerstand 20-4 einerseits mit Masse und anderseits mit dem nicht-
invertierenden Eingang des Komparators 26 verbunden ist. Der inver
tierende Eingang des Operationsverstärkers 20-1 ist mit dem Verbin
dungspunkt zwischen dem Kondensator 20-3 und der Diode 20-2 ver
bunden.
Ein Momentanwert der Steuerspannung eines spannungsgesteuerten
Oszillators 1 (VCO) der in Fig. 2 gezeigten Anregungsschaltung wird
der Zuführungsleitung 31 der Frequenzabfalldetektorschaltung zugeführt.
Diese Spannung liegt bei der dargestellten Ausführungsform im Bereich
von 1 bis 6 Volt und ist proportional zur Treibfrequenz der Anregungs
schaltung. Eine Spannung von einem Volt oder irgendeine Spannung
darunter entspricht der Minimalfrequenz und eine Spannung von 6 Volt
entspricht der Maximalfrequenz des gewählten Betriebsfrequenzbereichs
der Anregungsschaltung. Diese Spannung wird der Spitzenwertdetek
torschaltung 20 zugeführt. Deren Kondensator 20-3 dient als Speicher
kondensator, der über den Widerstand 20-4 entladbar ist. Diese Schal
tung wirkt wie ein üblicher Spitzenwertdetektor, dessen Kondensator 20-
2 den höchsten zuvor aufgetretenen Wert der Steuerspannung des span
nungsgesteuerten Oszillators 1 speichert. Der Widerstand 20-4 entlädt
den Speicherkondensator 20-3 langsam, derart, daß der Spitzenwertde
tektor 20 langsamen Verringerungen der Steuerspannung des VCO 1,
wie sie durch Temperaturänderungen des Ultraschallwandlers verursacht
werden, folgen kann, während relativ rasche Verringerungen der Steuer
spannung des VCO 1 im Speicherkondensator 20-3 gespeichert werden
und der Spitzenwertdetektor 20 solchen raschen Verringerungen nicht
folgen kann. Eine Entladezeitkonstante von etwa 40 Sekunden wird als
Optimum für einen besonders guten Betrieb bevorzugt.
Der Momentanwert der VCO-Steuerspannung wird außerdem der Offset-
Addierschaltung 22 zugeführt, die zu der VCO-Steuerspannung eine
konstante positive Offset-Spannung hinzuaddiert. Diese Offset-Spannung
repräsentiert den maximalen Kurzzeit-Frequenzabfall, der zugelassen
wird, bevor der Zerstäuber als überflutet zu betrachten ist. Der Wert der
Offset-Spannung hängt von vielen Faktoren ab. Bei der dargestellten
Ausführungsform wird ein Wert von etwa 200 mV bevorzugt, der sich
als optimal für einen guten Betrieb erwiesen hat.
Das Tiefpaßfilter 24 ist vorgesehen, um irgendwelches Rauschen zu
entfernen. Das Ausgangssignal des Spitzenwertdetektors 20 wird natur
gemäß durch den Speicherkondensator 20-2 gefiltert.
Wenn die Anregungsschaltung den Ultraschallwandler in seiner Reso
nanzfrequenz treibt, sind die Treibfrequenz und somit die VCO-Steuer
spannung auf der Zuführungsleitung 31 relativ konstant. Die Ausgangs
spannung des Spitzenwertdetektors 20 ist in diesem Fall mit der VCO-
Steuerspannung auf der Zuführungsleitung 31 identisch. Der Spitzen
wertdetektor 20 ist in der Lage, langsamen Änderungen der Frequenz
und somit der VCO-Steuerspannung auf der Zuführungsleitung 31 zu
folgen, wie sie verursacht werden können durch Änderungen der
Betriebstemperatur, Änderungen der Zerstäuberlast aufgrund von Verän
derungen des Brennstoffs, den Aufbau von Verunreinigungen auf dem
Zerstäuber, Alterung des Zerstäubers und dergleichen. Dies deshalb,
weil der Spitzenwertdetektor 20 natürlicherweise Erhöhungen der VCO-
Steuerspannung jeglicher Änderungsgeschwindigkeit folgt und an langsa
me Spannungsabnahmen eine Anpassung erfolgt aufgrund der langsamen
Entladungswirkung des Entladungswiderstandes 20-4. Unter stabilen
Arbeitsbedingungen im eingelaufenen Zustand erhält der Komparator 26
an seinem nicht-invertierenden Eingang ein Ausgangssignal 21 des
Spitzenwertdetektors 20 und an seinem invertierenden Eingang ein gefil
tertes Signal 25 vom Ausgang der Offset-Addierschaltung 22, das 200
mV höher liegt als das Signal, das an dem nicht-invertierenden Eingang
des Komparators 26 auftritt. Dies führt zu einem Signalzustand "LOW"
am Ausgang 27 des Komparators 26. Das Ausgangssignal des Kompara
tors 26 wird dem Monoflop 28 zugeführt, dessen Ausgang 29 sich nor
malerweise im Zustand "LOW" befindet. Wenn das Monoflop 28 einen
kurzen positiv gerichteten Signalübergang an seinem Eingang 27 erhält,
wechselt dessen Ausgang 29 in den Zustand "HIGH", und zwar für eine
Zeitdauer von etwa 100 ms. Der Zweck und Grund für diesen kurzen
positiven Ausgangsimpuls werden nachfolgend beschrieben werden. Für
jetzt sei so viel bemerkt, daß ein Zerstäuber, der im eingelaufenen
Zustand getrieben wird, kein Ausgangssignal am Ausgang des Monoflop
28 erzeugt.
Die obigen Bedingungen ändern sich jedoch, wenn eine Überflutung des
Zerstäubers beginnt. Beim Einsetzen des Überflutens bewirkt die
zusätzliche Flüssigkeitsmasse auf dem Zerstäuberhorn, daß die Reso
nanzfrequenz etwas abzusinken beginnt. Die Anregungsschaltung ist
noch auf die Resonanzfrequenz des Zerstäubers eingerastet und stellt
daher die Treibfrequenz so ein, daß sie an die neue, niedrigere Reso
nanzfrequenz angepaßt ist. Die VCO-Steuerspannung auf der Zufüh
rungsleitung 31 beginnt daher abzusinken, da der VCO 1 mit einer
etwas niedrigeren Frequenz betrieben werden muß. Das Ausgangssignal
21 des Spitzenwertdetektors 20 folgt anfangs der Abnahme der VCO-
Steuerspannung nicht, da der Entladungswiderstand 20-4 den Speicher
kondensator 20-3 nicht genügend schnell entladen kann und weil die
Diode 20-2 den Operationsverstärker 20-1 daran hindert, den Speicher
kondensator 20-4 auf eine niedrigere Spannung zu bringen. Das Aus
gangssignal 23 der Offset-Addierschaltung 22 jedoch folgt der VCO-
Steuerspannung in deren Abnahme, wobei der Ausgang der Offset-
Addierschaltung 22 immer auf einem Wert von 200 mV über dem Mo
mentanwert der VCO-Steuerspannung gehalten wird.
Eine relativ rasche Verringerung der Resonanzfrequenz bei Beginn der
Überflutung des Zerstäubers, die einer Verminderung der VCO-Steuer
spannung von mehr als 200 mV entspricht, führt dazu, daß das Signal
25 am invertierenden Eingang des Komparators 26 einen niedrigeren
Wert annimmt als das Signal 21 an dem nicht-invertierenden Eingang
des Komparators 26. Wenn dies passiert, wechselt der Ausgang 27 des
Komparators 26 in den Zustand "HIGH" und das Monoflop 28 wird
getriggert, was an dessen Ausgang 29 einen positiven Impuls mit einer
Dauer von 100 ms erzeugt. Dieser Impuls, der immer erzeugt wird,
wenn eine Überflutung des Zerstäubers beginnt, wird verwendet, um
eine Befreiung aus diesem Überflutungszustand einzuleiten.
Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 gezeigte grundsätzliche Überflutungsdetektor
schaltung in Kombination mit einem Blockschaltbild einer bevorzugten
Anregungsschaltung und mit einer zusätzlichen Schaltungseinrichtung,
die einen überfluteten Zerstäuber von überschüssiger Flüssigkeit frei
macht und zu einem stabilen Betrieb bei Resonanz zurückführt.
Die in Fig. 2 der Frequenzabfalldetektorschaltung hinzugefügte Schal
tungsanordnung umfaßt einen Schalter 30, welcher dem Entladungswi
derstand 20-4 parallel geschaltet ist und vom Ausgangssignal des Mono
flop 28 gesteuert wird, eine Spannungsklemmschaltung 32, die zwischen
den Ausgang 23 der Offset-Addierschaltung 22 und Masse geschaltet ist,
und eine zweite monostabile Kippschaltung in Form eines zweiten
Monoflop 34, das zur Steuerung einer externen Flüssigkeitspumpe ver
wendet wird. Das zweite Monoflop 34 wird von dem Ausgangsimpuls
des ersten Monoflop 28 getriggert. Es ist ein wiederholt triggerbares
Monoflop, das einen Ausgangsimpuls von etwa 10 s erzeugt.
Der Schalter 30 ist in Fig. 2 schematisch als mechanischer Schalter
dargestellt. Er kann jedoch die Form eines Halbleiterschalters, beispiels
weise eines Schalttransistors, haben. Die Spannungsklemmschaltung 32
wirkt ähnlich wie eine Zener-Diode mit einer Zener-Spannung von 6,0
Volt. Sie verhindert, daß das Ausgangssignal der Offset-Addierschaltung
22 über 6,0 Volt hinaus ansteigt.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird eine etwas modifi
zierte Version des in Fig. 1 der US-PS 5, 113, 116 gezeigten Ultraschall
generators verwendet. Die Modifikation besteht einmal in der Weglas
sung eines Schwellenwertverstärkers 11 in Fig. 1 der US-PS 5,113,116
und in der Hinzufügung eines Schalters 33 zu dem in Fig. 1 der US-PS
5,113,116 gezeigten Ultraschallgenerator.
Hinsichtlich des Aufbaus und der Funktionsweise des Ultraschallgenera
tors mit der einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 1 aufweisen
den Anregungsschaltung und einer einen Ultraschallwandler 5 aufweisen
den Wandlerschaltung wird auf Fig. 1 der US-PS 5,113,116 und die
zugehörigen Beschreibungsteile verwiesen. Aus diesem Grund sind in
der vorliegenden Fig. 2 für die einzelnen Komponenten des Ultraschall
generators die gleichen Bezugszeichen wie in der genannten US-PS
verwendet worden.
Im Zusammenhang mit vorliegender Erfindung sei hier die Arbeitsweise
des Ultraschallgenerators nur kurz erläutert wie folgt:
Einem Ultraschallwandler 5 zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen
wird über einen Übertrager 4 elektrische Anregungsenergie von der
Anregungsschaltung zugeführt. Die Anregungsschaltung umfaßt den
spannungsgesteuerten Oszillator 1, dessen Ausgangssignal über einen
Leistungsverstärker 3 der Primärseite des Übertragers 4 zugeführt wird.
Die am Ausgang 2 des VCO 1 entstehende Oszillatorspannung wird über
einen Phasenschieber 17, der eine Phasenschiebung von -90° bewirkt,
einem ersten Eingang 18 eines Phasenkomparators 13 zugeführt. Dessen
zweitem Eingang 10 wird über ein Tiefpaßfilter 9 mit linearem Phasen
gang eine Spannung zugeführt, die über einem Stromfühlwiderstand 7
entsteht und dem durch den Wandler 5 fließenden Strom entspricht. Im
Phasenkomparator 13 werden somit die Phase der von der Anregungs
schaltung abgegebenen Treibspannung und die Phase des durch den
Wandler 5 fließenden Wandlerstroms miteinander verglichen. Ein der
Phasenabweichung entsprechendes Signal entsteht am Ausgang 14 des
Phasenkomparators 13 und wird durch ein integrierendes Schleifenfilter
15 mit hoher Verstärkung einem Eingang 16 des VCO 1 zugeführt.
Wenn man davon ausgeht, daß die Frequenz des VCO 1 der Resonanz
frequenz des Wandlers 5 nachgeführt wird, entspricht die VCO-Steuer
spannung der jeweiligen momentanen Schwingfrequenz des Wandlers 5.
Wie bereits erwähnt ist bei der Ausführungsform, die in der beiliegen
den Fig. 2 dargestellt ist, der Schwellenwertverstärker 11 in Fig. 1 der
genannten US-PS nicht enthalten. In der in der US-PS gezeigten Anre
gungsschaltung dient der Schwellenwertverstärker 11 dazu, das dem
Phasenkomparator 13 von dem Tiefpaßfilter 9 gelieferte Eingangssignal
10 zu sperren, wenn der Strom durch den Wandler 5 sehr niedrig ist,
weil der Ultraschallgenerator in dichter Nähe einer Parallelresonanz
betrieben wird. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung hat sich dies
als unnötig und unerwünscht erwiesen, da die Situation einer vorüber
gehend offenen Schleife erzeugt wird, wenn die Frequenz des Ultra
schallgenerators die Parallelresonanzfrequenz des Ultraschallwandlers 5
durchläuft. Die für die vorliegende Erfindung verwendete Generator
schaltung ist so konzipiert, daß sie auf die Serienresonanzfrequenz des
Ultraschallwandlers 5 einrastet und daher natürlicherweise von der
Parallelresonanzfrequenz weggezwungen wird. D. h., für alle Frequen
zen unterhalb der Parallelresonanz rastet die vorliegende Schaltung auf
die Serienresonanzfrequenz ein, und für alle Frequenzen oberhalb der
Parallelresonanz wird die vorliegende Schaltung an die obere Frequenz
grenze des VCO 1 gedrängt.
Wie bereits ebenfalls erwähnt, besteht die zweite Modifikation
gegenüber Fig. 1 der genannten US-PS in der Hinzufügung des Schalters
33, über den der invertierende Eingang des Integrators 15-4, 15-5 und
15-6 des Schleifenfilters 15 mit einer Quelle positiver Spannung ver
bunden wird, die höher ist als die Spannung, die normalerweise an dem
nicht-invertierenden Eingang des Schleifenfilters 15 anliegt. Auch dieser
Schalter 33 ist der Einfachheit halber als mechanischer Schalter darge
stellt, kann aber bevorzugtermaßen die Form eines Schalttransistors oder
einer anderen Halbleiterschaltervorrichtung haben. Der Schalter 33 steht
unter Steuerung des Ausgangs 29 des Monoflop 28 derart, daß für die
Dauer eines 100 ms dauernden Ausgangsimpulses des Monoflop 28 der
Schalter 33 geschlossen ist.
Der Zweck dieses Schaltungsmerkmals ist folgender: Wenn ein Über
flutungszustand festgestellt wird, schließt der Ausgangsimpuls des Mono
flop 28 den Schalter 33 vorübergehend, was dazu führt, daß das Aus
gangssignal 16 des integrierenden Schleifenfilters 15, das die VCO-
Steuerspannung bildet, auf dessen Minimalwert gesteuert wird. Die
Impulsdauer 100 ms des vom Monoflop 28 erzeugten Impulses ist so
gewählt, daß dem integrierenden Schleifenfilter 15 genügend Zeit gelas
sen wird, auf seine minimale Ausgangsspannung zu gelangen. Dies führt
dazu, daß die Ausgangsfrequenz der Anregungsschaltung rasch auf die
Minimalfrequenz des vorbestimmten Frequenzbereichs des VCO 1
zurückgesetzt wird, um die Anregungsschaltung für den Beginn einer
neuen Suche nach der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers 5
vorzubereiten.
Die VCO-Steuerspannung der Anregungsschaltung wird der Zuführungs
leitung bzw. dem Eingang 31 des Spitzenwertdetektors 20 und der
Offset-Addierschaltung 22 zugeführt, wie bereits zuvor beschrieben
worden ist. Da dann, wenn eine Überflutung des Zerstäubers festgestellt
wird, die VCO-Steuerspannung (bei 16 und 31) in Vorbereitung für eine
neue Suche nach der Resonanz auf ein Minimum gesteuert wird, muß
der Speicherkondensator 20-3 des Spitzenwertdetektors 20 in diesem Fall
rasch entladen werden, damit der Ausgang 21 des Spitzenwertdetektors
20 sich wieder an die VCO-Steuerspannung anpaßt, um es dem Ausgang
27 des Komparators 26 zu ermöglichen, vor einer neuen Resonanzsuche
in einen Zustand "LOW" zurückzukehren. Dies wird durch den Schalter
30 erreicht, der durch das Ausgangssignal des Monoflop 28 aktiviert
wird. Somit wird der Speicherkondensator 20-3 zur selben Zeit, zu
welcher die VCO-Steuerspannung und damit die Frequenz des Zerstäu
bungsgenerators auf deren Minimalwert gesteuert werden, rasch ent
laden.
Wenn die Frequenz des Zerstäubungsgenerators oberhalb des Parallelre
sonanzpunktes des Ultraschallwandlers 5 liegt, bewirkt die PLL-
Schaltung, wie bereits zuvor erwähnt, naturgemäß, daß der Ultraschall
generator an die obere Frequenzgrenze gesteuert wird und dort
permanent "geparkt" wird. Man muß nun davon ausgehen, daß der
Ultraschallgenerator von Zeit zu Zeit in eine solche Situation gelangt,
und er muß dazu in der Lage sein, sich daraus zu befreien. Einer sol
chen Befreiung dient die Spannungsklemmschaltung 32. Obwohl die
maximale VCO-Steuerspannung, die der VCO 1 in der bestehenden Aus
führungsform verarbeiten kann, 6,0 Volt beträgt, ist die Versorgungs
spannung für den Integrator 15-6 des Schleifenfilters 15 etwas höher, um
sicherzustellen, daß der Ausgang des Integrators 15-6 den vollen Bereich
der VCO-Steuerspannung umfassen kann. Unter der zuvor beschriebenen
Bedingung, in welcher der Zerstäubungsgenerator an seiner oberen
Frequenzgrenze geparkt wird, wird das Ausgangssignal des Integrators
15-6 bzw. die VCO-Steuerspannung somit versuchen, zur oberen Grenze
der Versorgungsspannung des Integrators 15-6 anzusteigen, die etwas
höher als 6,0 Volt ist, wie bereits bemerkt wurde. Der Ausgang 21 des
Spitzenwertdetektors 20 folgt diesem Anstieg. Das Ausgangssignal der
Offset-Addierschaltung 22 wird jedoch durch die Wirkung der Span
nungsklemmschaltung 32 auf eine maximale Spannung von 6,0 Volt
begrenzt. Da der nicht-invertierende Eingang (21) des Komparators 26
nun positiver ist als dessen invertierender Eingang (25), reagiert der
Komparator 26 nun, indem sein Ausgang 27 in einen Zustand "HIGH"
übergeht. Dadurch wird das Monoflop 28 getriggert. Dies hat zur Folge,
daß die Ausgangsfrequenz des Ultraschallgenerators auf den Minimal
wert innerhalb seines Frequenzbereichs zurückgesetzt wird, genauso, als
wenn eine Überflutung des Zerstäubers festgestellt worden wäre.
Es ist wichtig, daß während einer jeden Suche nach der Resonanzfre
quenz des Zerstäubers der Brennstofffluß angehalten werden muß, da,
wie bereits erwähnt, das Vorhandensein überschüssiger Flüssigkeit auf
dem Zerstäuberhorn das Auffinden der Resonanz verhindert. Zu diesem
Zweck wird das wiederholt triggerbare Monoflop 34 verwendet, das
durch das Ausgangssignal des ersten Monoflop 28 triggerbar ist. Die
Impulslänge des zweiten Monoflop 34 hängt von einer Anzahl von Fak
toren ab. Eine Impulslänge von 10 Sekunden hat sich als optimal erwie
sen. Der Zweck des zweiten Monoflop 34 ist es, einen Befehl über
seinen Ausgang 35 an eine Brennstoffpumpensteuereinrichtung zu
schicken, um die Pumpe während einer Resonanzsuche vorübergehend
anzuhalten. Wenn ein Überflutungszustand festgestellt worden ist und
das erste Monoflop 28 einen Impuls mit einer Impulslänge von 100 ms
erzeugt, um die Frequenz der Ultraschallgenerators auf den minimalen
Wert rückzusetzen, wird auch das zweite Monflop 34 getriggert, und das
Ausgangssignal an dessen Ausgang 35 bewirkt, daß die Brennstoffpumpe
für 10 s angehalten wird. Wenn innerhalb dieser Zeit während eines
Resonanzsuchlaufs erneut eine Überflutung des Zerstäubers festgestellt
wird, wird das Monoflop 34 nochmals getriggert und die bereits begon
nene Zeitdauer von 10 s wird um weitere 10 s verlängert. Die Zeitdauer
von 10 s gewährt dem System genügend Zeit, um sich nach einer erfolg
reichen Resonanzsuche zu stabilisieren, bevor der Brennstofffluß wieder
gestartet wird.
Den vorausgehenden Ausführungen ist entnehmbar, daß die Überflu
tungsdetektorschaltung zuverlässig das Einsetzen einer Überflutung des
Ultraschallzerstäubers feststellen kann, daß sie die Ultraschallgenerator
frequenz auf die untere Frequenzgrenze rücksetzen kann, um dem
Ultraschallgenerator den Beginn einer neuen Resonanzsuche zu ermög
lichen, und sie kann diesen Zustand einer Brennstoffpumpensteuerein
richtung signalisieren, so daß der Pumpenbetrieb vorübergehend einge
stellt werden kann. Und sollte die Resonanzsuche ohne Erfolg und der
Ultraschallgenerator auf die obere Frequenzgrenze gezwungen sein, kann
die Überflutungsdetektorschaltung auch dies feststellen und die Genera
torfrequenz auf die untere Frequenzgrenze rücksetzen, um eine weitere
Resonanzsuche zu beginnen.
Es wird nun die Arbeitsweise dieses Systems erläutert anhand von Fig.
3, welche die Ultraschallgeneratorfrequenz als eine Funktion der Zeit
darstellt, beginnend mit einem System in normalem Resonanzbetrieb, das
überflutet wird und sich dann von dem Überflutungszustand erholt.
Abschnitt A der in Fig. 3 dargestellten Kurve zeigt, daß der Ultraschall
zerstäuber überflutet wird. Abschnitt B zeigt den Generator, wie er nach
einer Resonanz sucht, jedoch keinerlei Resonanzpunkt finden kann.
Abschnitte C und D sind ähnlich dem Abschnitt B, wobei jedoch vor
übergehend eine stark gedämpfte Resonanz gefunden wird, da der
Brennstofffluß abnimmt. Abschnitt E zeigt, wie der Ultraschallgenerator
vorübergehend bei einer Frequenz anhält, die niedriger ist als die nor
male Resonanzfrequenz, und zwar aufgrund der Belastung mit Brenn
stoff, wobei der Ultraschallzerstäuber jedoch weiterhin mit Brennstoff
überflutet ist und das System auf die Minimalfrequenz zurückgeht. Ab
schnitt F zeigt wieder, daß eine Resonanz gefunden worden ist, jetzt
jedoch in einem Zustand, in dem der Brennstofffluß nahezu vollständig
angehalten worden ist, und das System ist dazu in der Lage, den
Ultraschallzerstäuber von überschüssigem Brennstoff freizumachen und
zum Normalbetrieb zurückzukehren.
Betrachtet man nun Fig. 3 mehr im Detail, beginnt die dort gezeigte
Kurve mit einem Zustand, in welchen ein Ultraschallgenerator seinen
Ultraschallzerstäuber bei Resonanz 50 treibt und eine normale Zerstäu
bung stattfindet. Am Punkt 51 beginnt eine Überflutung und die Ab
nahme der Resonanzfrequenz ist als abwärts gerichteter schräger Kur
venteil 52 gezeigt. Die Resonanzfrequenz nimmt rasch genügend soweit
ab, daß die VCO-Steuerspannung bei Punkt 53 um 200 mV abgenom
men hat, was das Monoflop 28 triggert und dazu führt, daß der Ultra
schallgenerator bei 54 auf seine Minimalfrequenz gezwungen wird, was
sicherstellt, daß jeglicher überschüssiger Brennstoff, der am Zerstäuber
horn gehalten wird, abfällt, wie dies zuvor erläutert worden ist. An
diesem Punkt wird auch das Monoflop 34 getriggert und sendet ein
Signal zur Brennstoffpumpensteuereinrichtung, welches den Brennstoff
zufluß abschaltet. Nach der Zeitdauer von 100 ms des Ausgangsimpulses
des Monoflop 28 wird der bis dahin bei 55 auf seiner Minimalfrequenz
gehaltene VCO 1 freigegeben und kann mit einer Suche nach einem
Resonanzpunkt beginnen. Die Frequenz des Ultraschallgenerators steigt
bei 56 linear an, und zwar unter der Steuerung der PLL-Schaltung des
Ultraschallgenerators. Es wird keine einen Frequenzdurchlauf steuernde
Schaltung oder Wobbel-Schaltung verwendet oder benötigt. Aufgrund
der Tatsache, daß der Brennstofffluß noch relativ hoch ist, da sich der
Brennstoffimpulsdämpfer entlädt, fließt noch viel zu viel Brennstoff über
das Zerstäuberhorn, als daß irgendeine Resonanz detektiert werden
könnte. Dieser Zustand führt auch zu einer Phasenbeziehung zwischen
der Zerstäuberspannung und dem Zerstäuberstrom, die bewirkt, daß der
Phasenkomparator 13 der Anregungsschaltung die VCO-Steuerspannung
auf einen höheren Wert treibt und die Frequenz daraufhin linear mit
einer Anstiegsgeschwindigkeit ansteigt, die lediglich durch die Schleifen
zeitkonstante gesteuert wird, die primär durch den Widerstandswert des
Widerstandes 15-3 und den Kapazitätswert des Kondensators 15-5
bestimmt wird. Wenn die vorbestimmte maximale Frequenz des VCO-
Frequenzbereichs bei 57 erreicht wird, triggert die Spannungsklemm
schaltung 32 den Komparator 26 in eine Änderung seines Ausgangs
signals, was wiederum das Monoflop 28 triggert, dessen Ausgangssignal
wiederum den Zerstäubergenerator auf die Minimalfrequenz rücksetzt,
um eine weitere Resonanzsuche zu starten.
Zu dem Zeitpunkt 58, bei welchem die nächste Resonanzsuche beginnt,
hat der Brennstofffluß etwas abgenommen. Anfangs steigt die Frequenz
des Zerstäubergenerators im Bereich 59 linear an wie zuvor, hält dann
aber bei 60 vorübergehend an, da eine stark gedämpfte Resonanzfre
quenz gefunden wird, die viel niedriger liegt als die normale Resonanz
frequenz. Die PLL-Schaltung des Ultraschallgenerators kann nicht auf
diesen unstabilen Punkt einrasten und wird im Bereich 61 bald wieder
aufwärts zu höheren Frequenzen getrieben, bis bei 62 der Punkt maxi
maler Frequenz erreicht und der Ultraschallgenerator wieder auf mini
male Frequenz rückgesetzt wird. Bei 63 wird der VCO 1 wiederum
freigegeben und es beginnt mit ansteigenden Frequenzen eine weitere
Resonanzsuche. Während dieses Suchlaufs, bei dem wiederum weniger
Brennstoff fließt, hält das System bei einem Resonanzpunkt 64 etwas
höherer Frequenz aber noch starker Lastdämpfung an, kann jedoch
wieder nicht einrasten und wird in Richtung zunehmender Frequenz
getrieben, bis der Generator im Punkt 66 erneut rückgesetzt wird. Bei
jedem Rücksetzen der Generatorfrequenz bei 57, 62 und 66 wird das
Monoflop 34 erneut getriggert und somit die Dauer der Brennstoffpum
penabschaltzeit verlängert.
Bei 67 beginnt eine weitere Resonanzsuche. Inzwischen hat der Brenn
stofffluß soweit abgenommen, daß der Generator bei 68 einrasten kann,
obwohl der Zerstäuber noch teilweise überflutet ist und die Resonanz
frequenz noch niedriger ist als normal. Da der Zerstäuber noch über
mäßig gedämpft ist, wird die volle Schwingungsamplitude nicht erreicht
und es findet keine Zerstäubung statt. Daher beginnt sich bei 69 noch
mals Brennstoff an der Oberfläche des Zerstäuberhorns zu sammeln, das
in Folge von Stehwellen in der Flüssigkeit festgehalten wird, bis die
zuvor bei 68 ermittelte VCO-Steuerspannung bei 70 um 200 mV abge
nommen hat, was ein Triggern des Monoflop 28 bewirkt. Und dies führt
wieder zum Rücksetzen der Generatorfrequenz und zur Verlängerung der
Abschaltzeit der Brennstoffpumpe.
Bei 71 beginnt nun die letzte Resonanzsuche. Da nun der Impulsdämpfer
nahezu leer ist, wird der Brennstofffluß nahezu angehalten und wird bei
72 ein Resonanzpunkt gefunden, der nur wenig durch überschüssigen
Brennstoff gedämpft ist und nur ein wenig unterhalb der natürlichen
Resonanzfrequenz des Zerstäubers im nicht überfluteten Zustand liegt.
Kurz nach einem Punkt 73 ist der Zerstäuber nun dazu in der Lage, die
geringe Menge der übriggebliebenen Flüssigkeit abzuschütteln, und der
unbelastete Resonanzpunkt wird dann bei 74 erreicht. Das System befin
det sich nun im Bereich 75 wieder in normaler Resonanz und 10 s nach
dem letzten Rücksetzen bei 70 geht der Ausgangsimpuls des Monoflop
34 zu Ende. Dies ermöglicht es der Brennstoffpumpensteuereinrichtung,
die Brennstoffpumpe zu starten, und die Zerstäubung beginnt nun
wieder.
Fig. 3 zeigt eine typische Situation. In Abhängigkeit von vielen Fakto
ren, wie dem Wert der Ausgangsenergie, dem Brennstofftyp, der Brenn
stoffviskosität, der Temperatur und der Durchflußrate können jedoch
mehr oder weniger Versuche erforderlich sein, bevor der Generator
wieder eine stabile Resonanz findet. Bis der Brennstofffluß soweit abge
nommen hat, daß es für das System möglich ist, die Zerstäuberresonanz
unter den obigen Bedingungen zu detektieren, stellen die mehrfachen
Versuche des Auffindens der Resonanz einen Weg dar, um Zeit ver
gehen zu lassen und periodisch zu testen, ob schon wieder eine Reso
nanz detektiert werden kann. Wenn der Brennstofffluß genügend abge
nommen hat, tritt das in Abschnitt F der Fig. 3 gezeigte Verhalten auf
und die PLL-Schaltung des Ultraschallgenerators rastet automatisch auf
die Zerstäuberresonanz ein.
Claims (18)
1. Verfahren zum Feststellen des Einsetzens einer Überflutung
einer Zerstäuberoberfläche eines einen Ultraschallwandler (5)
aufweisenden Ultraschallzerstäubers mit zu zerstäubender Flüs
sigkeit, insbesondere flüssigem Brennstoff im Zusammenhang
mit Heizgeräten,
dadurch gekennzeichnet,
daß die natürliche Resonanzfrequenz des schwingenden Ultra
schallwandlers (5) auf Frequenzänderungen überwacht wird und
daß ein einen Überflutungszustand meldendes Überflutungs
signal dann erzeugt wird, wenn gegenüber einer zuvor festge
stellten Resonanzfrequenz ein Abfall der Resonanzfrequenz
festgestellt wird, dessen Abfallgeschwindigkeit einen vorbe
stimmten Mindestschwellenwert übersteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß ein der Resonanz des Ultra
schallwandlers (5) entsprechendes Signal in einem Speicher
funktion aufweisenden Spitzenwertdetektor (20) gespeichert
wird, dessen Speicherwert mit einer vorbestimmten langsamen
Geschwindigkeit entladen wird, und der aktuelle Wert dieses
Signals laufend mit dem gespeicherten Wert verglichen wird,
und daß bei einem Abfall des aktuellen Signals gegenüber dem
gespeicherten Signal um einen vorbestimmten Betrag das Über
flutungssignal erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten des Überflu
tungssignals eine den Ultraschallwandler (5) treibende Anre
gungsschaltung in einen Resonanzsuchlauf gesteuert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten des Überflu
tungssignals die Flüssigkeitszufuhr zum Ultraschallzerstäuber
(5) unterbrochen wird.
5. Ultraschallzerstäuber zur Zerstäubung von Flüssigkeiten, ins
besondere flüssigen Brennstoffen im Zusammenhang mit Heiz
geräten,
mit einem einen Ultraschallwandler (5) aufweisenden Ultra schallzerstäuber mit einer Zerstäubungsoberfläche, der von einem Flüssigkeitsvorrat zu zerstäubende Flüssigkeit zugeführt wird,
und mit einer elektrischen Anregungsschaltung (1, 4, 9, 13, 15, 17) zur Anregung des Ultraschallwandlers (5) mit einer natür lichen Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers (5), gekennzeichnet durch
eine Frequenzabfalldetektorschaltung (20, 22, 26, 28), die ein der Ultraschallwandlerfrequenz entsprechendes Signal (16) auf einen Abfall der Ultraschallwandlerfrequenz überwacht und dann, wenn die Abfallgeschwindigkeit einen vorbestimmten Mindestschwellenwert übersteigt, ein einen Überflutungszustand signalisierendes Überflutungssignal abgibt.
mit einem einen Ultraschallwandler (5) aufweisenden Ultra schallzerstäuber mit einer Zerstäubungsoberfläche, der von einem Flüssigkeitsvorrat zu zerstäubende Flüssigkeit zugeführt wird,
und mit einer elektrischen Anregungsschaltung (1, 4, 9, 13, 15, 17) zur Anregung des Ultraschallwandlers (5) mit einer natür lichen Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers (5), gekennzeichnet durch
eine Frequenzabfalldetektorschaltung (20, 22, 26, 28), die ein der Ultraschallwandlerfrequenz entsprechendes Signal (16) auf einen Abfall der Ultraschallwandlerfrequenz überwacht und dann, wenn die Abfallgeschwindigkeit einen vorbestimmten Mindestschwellenwert übersteigt, ein einen Überflutungszustand signalisierendes Überflutungssignal abgibt.
6. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß eine auf das Überflutungssignal
ansprechende erste Schaltungseinrichtung (28) die Anregungs
schaltung (1, 4, 9, 13, 15, 17) beim Empfang des Über
flutungssignals in einen Resonanzsuchlauf steuert.
7. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß eine auf das Überflutungssignal
ansprechende zweite Schaltungseinrichtung (34) beim Auftreten
des Überflutungssignals eine die Flüssigkeit zum Ultraschallzer
stäuber pumpende Flüssigkeitspumpe in einen Abschaltzustand
steuert.
8. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenzabfalldetektorschaltung (20, 22, 26, 28) eine Speicherfunktion aufweisende Spitzenwertdetektorschaltung (20), deren Speicherwert mit einer vorbestimmten langsamen Geschwindigkeit entladen wird, und eine Offset-Addier schaltung (22), denen je das der Ultraschallwandlerfrequenz entsprechende Signal (16) zugeführt wird, und eine das Aus gangssignal der Spitzenwertdetektorschaltung (20) mit dem Ausgangssignal der Offset-Addierschaltung (22) vergleichende Komparatorschaltung (26) aufweist, wobei die Offset-Addier schaltung dem ihr zugeführten Signal einen vorbestimmten Offset-Wert hinzuaddiert,
und daß ein von dem Ausgang der Komparatorschaltung (26) abgeleitetes Überflutungssignal dann abgegeben wird, wenn das Ausgangssignal der Offset-Addierschaltung (22) um einen vor bestimmten Wert niedriger ist als das Ausgangssignal der Spitzenwertdetektorschaltung (20).
daß die Frequenzabfalldetektorschaltung (20, 22, 26, 28) eine Speicherfunktion aufweisende Spitzenwertdetektorschaltung (20), deren Speicherwert mit einer vorbestimmten langsamen Geschwindigkeit entladen wird, und eine Offset-Addier schaltung (22), denen je das der Ultraschallwandlerfrequenz entsprechende Signal (16) zugeführt wird, und eine das Aus gangssignal der Spitzenwertdetektorschaltung (20) mit dem Ausgangssignal der Offset-Addierschaltung (22) vergleichende Komparatorschaltung (26) aufweist, wobei die Offset-Addier schaltung dem ihr zugeführten Signal einen vorbestimmten Offset-Wert hinzuaddiert,
und daß ein von dem Ausgang der Komparatorschaltung (26) abgeleitetes Überflutungssignal dann abgegeben wird, wenn das Ausgangssignal der Offset-Addierschaltung (22) um einen vor bestimmten Wert niedriger ist als das Ausgangssignal der Spitzenwertdetektorschaltung (20).
9. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang der Kompara
torschaltung (26) eine erste monostabile Kippschaltung (28) mit
einer vorbestimmten ersten Ausgangsimpulsdauer verbunden ist,
an deren Ausgang (29) das Überflutungssignal abgegeben wird.
10. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang der ersten
monostabilen Kippschaltung (28) eine zweite wiederholt trigger
bare monostabile Kippschaltung (34) mit einer vorbestimmten
zweiten Ausgangsimpulsdauer verbunden ist, deren Ausgangs
signal beim Auftreten des Überflutungssignals die Unter
brechung der Flüssigkeitszufuhr steuert.
11. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ausgangsimpulsdauer
etwa 100 ms beträgt.
12. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ausgangsimpulsdauer
ab dem Triggern bzw. im Fall des wiederholten Triggerns der
zweiten monostabilen Kippschaltung (34) ab deren letztem
Triggern etwa 10 s beträgt.
13. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 5 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Offset-Addierschaltung (22)
zu dem ihr zugeführten Eingangssignal einen positiven Span
nungswert von etwa 200 mV hinzuaddiert.
14. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 5 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang der
Offset-Addierschaltung (22) und den damit verbundenen Ein
gang der Komparatorschaltung (26) ein Tiefpaßfilter (24) zum
Wegfiltern von Rauschstörungen geschaltet ist.
15. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 5 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Off
set-Addierschaltung (22) mittels einer Klemmschaltung (32) auf
einen vorbestimmten Klemmspannungswert begrenzt ist.
16. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmschaltung (32) auf
einen Klemmspannungswert begrenzt, der derart gewählt ist,
daß der Komparator (26) bei denjenigen Spannungswerten, die
seinen beiden Eingängen bei Steuerung der Anregungsschaltung
(1, 4, 9, 13, 15, 17) an die obere Frequenzgrenze zugeführt
werden, die Abgabe des Überflutungssignals bewirkt, was zur
Rücksetzung der Anregungsschaltung (1, 4, 9, 13, 15, 17) an
deren untere Frequenzgrenze führt.
17. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 5 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsschaltung (1, 4, 9,
13, 15, 17) eine PLL-Schaltung (1, 13,15) mit einem Phasen
komparator (13), einem spannungsgesteuerten Oszillator (1) und
einem dazwischen geschalteten PLL-Tiefpaßfilter (15) aufweist,
und daß ein dem spannungsgesteuerten Oszillator (1) von dem
PLL-Tiefpaßfilter (15) zugeführtes Steuersignal (16) der
Frequenzabfalldetektorschaltung (20, 22, 26, 28) als Eingangs
signal (31) zugeführt wird.
18. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß das PLL-Tiefpaßfilter (15) mit einem ersten steuerbaren Schalter (33) verbunden ist, in dessen leitendem Zustand der spannungsgesteuerte Oszillator (1) auf seine niedrigste Frequenz gesteuert wird,
daß die Frequenzabfalldetektorschaltung (20, 22, 26, 28) einen zweiten steuerbaren Schalter (30) aufweist, der im leitenden Zustand den in der Spitzenwertdetektorschaltung (20) gespeicherten Wert löscht,
und daß beide Schalter (30, 33) durch einen das Überflutungs signal darstellenden Ausgangsimpuls der ersten monostabilen Kippschaltung (28) für dessen Dauer leitend geschaltet werden.
daß das PLL-Tiefpaßfilter (15) mit einem ersten steuerbaren Schalter (33) verbunden ist, in dessen leitendem Zustand der spannungsgesteuerte Oszillator (1) auf seine niedrigste Frequenz gesteuert wird,
daß die Frequenzabfalldetektorschaltung (20, 22, 26, 28) einen zweiten steuerbaren Schalter (30) aufweist, der im leitenden Zustand den in der Spitzenwertdetektorschaltung (20) gespeicherten Wert löscht,
und daß beide Schalter (30, 33) durch einen das Überflutungs signal darstellenden Ausgangsimpuls der ersten monostabilen Kippschaltung (28) für dessen Dauer leitend geschaltet werden.
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: J. EBERSPAECHER GMBH & CO., 73730 ESSLINGEN, DE |
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D2 | Grant after examination | ||
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