EA012532B1 - Силовая схема возбуждения для управления ультразвуковым преобразователем с переменной нагрузкой - Google Patents

Abstract

Настоящее изобретение касается ультразвукового генератора высокой мощности (к примеру, >500 Вт) для подачи ультразвуковой энергии высокой мощности к переменной нагрузке. Этот генератор включает в себя генератор треугольных колебаний переменной частоты, соединённый с широтно-импульсными модуляторами. Выход широтно-импульсного модулятора соединён с затворами биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ), который усиливает сигнал и подаёт его к катушке, которая используется для возбуждения магнитострикционного преобразователя. В одном варианте осуществления высокое напряжение 0-600 В постоянного тока подаётся на коллектор и эмиттер БТИЗ после того, как подан сигнал. Выход БТИЗ представляет собой прямоугольное колебание с напряжением ±600 В. Это напряжение подаётся на катушку, намотанную вокруг ультразвукового преобразователя. Напряжение создаёт магнитное поле на преобразователе, и в результате магнитострикционные свойства преобразователя заставляют преобразователь вибрировать от магнитного поля. Использование БТИЗ в качестве усилительного устройства устраняет необходимость в тринисторной схеме, которая обычно используется в ультразвуковых преобразователях низкой мощности и которая перегрелась бы и отказала в таком применении при высокой мощности и с переменной нагрузкой.

Description

Настоящее изобретение относится, в общем, к ультразвуковым системам, а в частности к способам и схеме возбуждения ультразвукового преобразователя высокой мощности для использования с переменной нагрузкой.

Ультразвуковая техника используется во множестве применений от механической обработки и очистки драгоценностей, выполнения хирургических операций до обработки жидкостей, в том числе углеводородов. Основная идея ультразвуковых систем заключается в преобразовании высокочастотной электрической энергии в механические колебания ультразвуковых частот с помощью преобразовательных элементов. Такие системы, как правило, включают в себя возбуждающую схему, которая генерирует электрические сигналы, возбуждающие узел пьезоэлектрического (или магнитострикционного) преобразователя. Такой передающий элемент, как зонд, соединяется с узлом преобразователя и используется для подачи механической энергии к объекту.

Ультразвуковые преобразователи включают в себя промышленные и медицинские резонаторы. Промышленные резонаторы выдают высокую плотность энергии, чтобы в значительной степени воздействовать на материалы, с которыми они соприкасаются. Практическое использование промышленных резонаторов включает в себя сварку пластмасс и нежелезных металлов, очистку, абразивную механическую обработку твёрдых материалов, резку, усиление химических реакций (акустохимия), обработку текучих сред, обесценивание и распыление. Обычные частоты для таких операций лежат между 15 и 40 кГц, хотя частоты могут быть от 10 и до 100 кГц. Медицинские резонаторы включают в себя устройства для резки, дробления, прижигания, соскабливания, удаления зубного камня и т. п.

Узел преобразователя для промышленного ультразвукового применения может называться промышленным ультразвуковым пакетом и может включать в себя зонд (или сонотрод либо рупор), усилитель и преобразователь (или конвертор). Зонд соприкасается с нагрузкой и доставляет мощность к нагрузке. Форма зонда зависит от формы нагрузки и требуемого усиления. Зонды, как правило, делаются из титана, алюминия и стали. Усилитель регулирует выходной вибрационный сигнал от преобразователя и переносит ультразвуковую энергию к зонду. Усилитель также, в общем, обеспечивает способ установки ультразвукового пакета на опорную конструкцию. Активные элементы обычно являются пьезоэлектрической керамикой, хотя магнитострикционные материалы тоже используются.

Существующая технология для возбуждения ультразвуковых зондов разработана для возбуждения системы на одной желательной частоте и уровне мощности для конкретной обработки. Эта известная технология использует электрическую систему на основе тринистора (кремниевый управляемый диод) (8СК). Как правило, тринистор требует принудительного выключения системы, имеющей конкретное значение ёмкости для управления и выключения тринистора, который, в свою очередь, ограничивает рабочую частоту электрической системы. Кроме того, тринисторные системы ограничиваются гораздо более низкими уровнями мощности, которые не позволяют эффективно управлять ультразвуковым зондом на более высоких уровнях мощности. Как используется здесь, высоким уровнем мощности называются уровни мощности по меньшей мере 500 Вт. Например, ультразвуковые генераторы на основе тринисторов возбуждают ультразвуковые зонды, которые спроектированы для конкретной нагрузки, такой как расплавленная сталь. Однако ультразвуковой генератор на основе тринисторов при использовании в обработке, в которой присоединённый ультразвуковой зонд подвергается условиям переменной нагрузки, таким как обработка текучих углеводородов, ограничивает эффективность зонда в различных текучих средах. Эта ограниченная эффективность получается вследствие нагрузочного воздействия, которое различные текучие среды будут иметь на ультразвуковой зонд. Помимо этого, даже для заданной текучей среды эффекты изменения плотности и фазового состояния могут изменять нагрузку на ультразвуковой зонд.

Поэтому имеется необходимость в схеме возбуждения мощности с изменяемой нагрузкой для ультразвукового генератора, которая не имеет недостатков ультразвуковых генераторов на тринисторах.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение предлагает ультразвуковой генератор для возбуждения динамической системы ультразвукового зонда для использования с переменной нагрузкой на рабочих частотах до 20 кГц и уровнях мощности до 60 кВт. В этой системе используется полномостовая система биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) (ЮВТ) для возбуждения ультразвуковых зондов на резонансной частоте при различных и регулируемых уровнях напряжения, частоты и тока. Когда ультразвуковой зонд испытывает различные нагрузки, будут изменяться требования к электрической мощности. Например, в процессе различных методов обработки углеводородов (к примеру, обессеривание), таких как запатентованные заявителем настоящей заявки, множество различных и переменных нагрузок наблюдаются ультразвуковым преобразователем при обработке различных жидкостей (к примеру, таких как разные типы неочищенной нефти, дизельных топлив и т.п.). Различные запатентованные методы обработки углеводородов, которые запатентованы заявителем по данной заявке, раскрыты в патентах США №№ 6827844, 6500219 и 6402939, описание которых включено сюда посредством ссылки. При использовании такой системы, как полномостовая система на основе БТИЗ, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения можно управлять требуемыми переменными, такими как частота, напряжение и

- 1 012532 ток, для эффективного управления производительностью ультразвукового зонда для переменных нагрузок. Переменные нагрузки, как правило, включают в себя различные сжимаемые и несжимаемые углеводородные жидкости.

В одном объекте варианты осуществления настоящего изобретения касаются ультразвукового генератора высокой мощности (к примеру, > 500 Вт) для подачи ультразвуковой энергии высокой мощности к переменной нагрузке. В одном варианте осуществления ультразвуковой генератор включает в себя генератор треугольных волн переменной частоты, соединённый с широтно-импульсным модулятором. Выход широтно-импульсного модулятора соединён с затворами БТИЗ, что усиливает сигнал и доставляет его к катушке, которая используется для возбуждения магнитострикционного преобразователя. В одном варианте осуществления высокое напряжение 0-600 В постоянного тока доставляется к коллектору и эмиттеру БТИЗ после того, как доставлен сигнал. Выход БТИЗ тогда представляет собой прямоугольное колебание с напряжением +/- 600 В. Это напряжение подаётся на катушку, намотанную вокруг ультразвукового преобразователя. Напряжение создаёт магнитное поле на преобразователе, и в результате магнитострикционные свойства преобразователя заставляют преобразователь вибрировать от магнитного поля. Использование БТИЗ в качестве усилительного устройства устраняет необходимость в тринисторной схеме, которая обычно используется в ультразвуковых преобразователях низкой мощности и которая перегрелась бы и отказала в таком применении высокой мощности с изменяемой нагрузкой.

Для дальнейшего понимания природы и преимуществ изобретения даётся ссылка на нижеследующее описание вместе с сопровождающими чертежами.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 является упрощённой блок-схемой, показывающей модель полномостовой схемы на БТИЗ с параллельным резонансным магнитострикционным преобразователем согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 показывает две цепочки импульсов, которые являются взаимно обратными и сдвинутыми на 180° по фазе, которые возбуждают расширение и сжатие магнитострикционного ультразвукового преобразователя по фиг. 1.

Фиг. 3 является упрощённой схемой вида сбоку магнитострикционного преобразователя с овальным окном.

Фиг. 4 является упрощённой блок-схемой для воплощения системы с полномостовой возбуждающей схемой на БТИЗ по фиг. 1, где микропроцессор выдаёт напряжение, соответствующее рабочей частоте генератора, управляемого напряжением (ГУН) (УСО), согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 5 является графиком примерного колебания выходной мощности, формируемого силовой схемой возбуждения по фиг. 4.

Подробное описание изобретения

До изобретения настоящего ультразвукового генератора известные ультразвуковые генераторы базировались на тринисторной («8СК») технологии. В этих генераторах тринисторы генерировали импульсный ток через ультразвуковой зонд на частоте примерно 17,5 кГц. При такой высокой частоте переключений тринисторы могут легко перегреться и отказать. Чтобы устранить эту проблему перегрева, тринисторы требуют принудительного выключения системы, обычно известной в области силовой электроники как «принудительная коммутация». Это значит, что когда сигнал доставляется в систему, чтобы включить тринистор, она будет оставаться включённой в течение конкретного интервала времени после того, как сигнал выключается. Посредством принудительной коммутации можно заставить тринистор выключаться быстрее. Эта принудительная коммутация требуется для более высокой частоты переключения 17,5 кГц. Зачастую из-за этого процесса тринистор ослабляется и отказывает. Другая проблема с тринисторными системами состоит в том, что необходима специальная ёмкостная структура, чтобы заставить происходить принудительную коммутацию. Результатом этих добавочных конденсаторов является значительная потеря мощности. Ультразвуковой генератор, разработанный изобретателями по этой заявке, требует малой величины ёмкости, а тем самым более надёжен, чем обычно используемые системы на основе тринисторов. Например, изобретатели по данной заявке сравнили новый генератор на основе БТИЗ с генератором, который использует тринисторную технологию, и сообщают, что в то время как система на основе тринисторов для ультразвукового зонда требовала входного сигнала примерно 3800 Вт, ультразвуковой генератор в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения выдаёт лучшие результаты с ультразвуковым зондом с помощью только 2800 Вт. В дополнение к тому, что он является более эффективным, чем обычно используемые тринисторные системы, в этом генераторе компоненты, а именно БТИЗ, менее дорогостоящие и более легко доступны, нежели тринисторы.

В ультразвуковом генераторе в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения используется БТИЗ, а не тринистор. БТИЗ служит в качестве усилителя для усиления импульсного сигнала, подаваемого на затворы БТИЗ. Импульс, поданный на затворы БТИЗ, создаётся генератором импульсов переменной ширины. В одном варианте осуществления этот широтно-импульсный генератор использует генератор треугольных колебаний переменной частоты, сигнал которого подаётся в компаратор с переменным опорным напряжением. Результат состоит в том, что за счёт регулировки эталонного

- 2 012532 напряжения в компараторе изменяется ширина импульсов. Эта часть (к примеру, генератор импульсов переменной ширины) генератора иногда используется с БТИЗ для управления двигателями переменного тока. Сигнал переменной частоты/ширины импульсов подаётся на затворы БТИЗ для усиления. Переменное напряжение (к примеру, в диапазоне между 0 и 600 В постоянного тока) прикладывается коллектору и эмиттеру БТИЗ после того, как поступает сигнал. Выход БТИЗ тогда представляет собой прямоугольное колебание с напряжением +/-600 В. Это напряжение подаётся на катушку, намотанную вокруг ультразвукового преобразователя. Напряжение создаёт магнитное поле на преобразователе, и магнитострикционные свойства преобразователя заставляют в результате преобразователь вибрировать от магнитного поля.

Силовая схема возбуждения для ультразвукового преобразователя в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения представляет новшество в отношении известных схем возбуждения для ультразвуковых преобразователей. В этой схеме силовые компоненты включают в себя согласованные БТИЗ в полномостовой силовой конфигурации. Полный мост включает в себя два полумостовых двухтактных усилителя. Каждая половина моста возбуждается асимметричной серией прямоугольных импульсов. Две серии импульсов, которые возбуждают полный мост, сдвинуты по фазе на 180° и инвертированы. Симметрия (к примеру, процент положительных и отрицательных импульсных составляющих) импульсов, которые возбуждают полумостовую секцию, могут конфигурироваться для любой желательной ультразвуковой выходной мощности.

Возбуждающая схема на основе БТИЗ в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения описывается ниже с дальнейшими подробностями. Эта схема БТИЗ включает в себя следующие основные компоненты, а именно: источник питания постоянного тока, БТИЗ, схему возбуждения затворов и схему считывания тока с обратной связью. Каждый из этих компонентов описывается ниже более подробно.

Источник питания постоянного тока.

Источник питания постоянного тока может быть любым источником питания, который выпрямляет и фильтрует стандартное (к примеру, 60 Гц) напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока. В общем случае это преобразование мощности совершается путём увеличения линейной частоты за счёт использования тиристора или другого такого прибора. Затем высокочастотный переменный ток выпрямляется и фильтруется с помощью блока конденсаторов и (или) реактивной катушки постоянного тока для исключения пульсаций переменного тока. Источник питания постоянного тока требует достаточной мощности для работы самой большой нагрузки, с которой может столкнуться ультразвуковой зонд. Как правило, постоянное напряжение от 0 до 600 В пригодно с номиналом тока 50 А, давая максимально 30 кВт. Можно использовать более крупные системы, выдающие напряжения до 1200 В, однако нужно принимать во внимание номинал максимального напряжения БТИЗ, который обычно равен 1200 В.

Источник питания постоянного тока идеально соединяется с БТИЗ через блок полярных конденсаторов с большим значением, чтобы снизить всплески переключения из-за чрезвычайно высоких рабочих частот и высоких напряжений. Конденсатор постоянного тока достаточно пригоден для обращения с максимальным напряжением в системе и любым всплеском напряжения, который может случиться.

Источник питания постоянного тока предпочтительно имеет управление изменяющимся напряжением, чтобы обеспечить регулировку напряжения в течение различных нагрузочных условий. Кроме того, регулировка напряжения обеспечит возможность эксплуатировать ультразвуковой преобразователь на более низком уровне мощности, если это желательно. В одном варианте осуществления регулировка напряжения может быть просто в виде потенциометра с ручным управлением. Альтернативно, регулировка напряжения достигается посредством аналогового напряжения или тока, подаваемых на считывающую схему, или цифрового программного интерфейса. Для источника питания предпочтительно также иметь управление максимальным предельным током, которое предотвратит перегрузку системы.

Биполярный транзистор с изолированным затвором.

БТИЗ используется для преобразования напряжения постоянного тока в импульсное биполярное прямоугольное колебание. БТИЗ чаще всего используются для управления двигателем в приводах переменной частоты. Работа БТИЗ такая же, как у большинства других транзисторов в том отношении, что напряжение силовой цепи прикладывается к коллектору и эмиттеру, тогда как сигнал подаётся на его затвор. Силовая цепь постоянного тока тогда пульсирует с приложенными напряжением и частотой силовой цепи и скважностью сигнала на затворе.

БТИЗ для использования с магнитострикционным преобразователем, таким как существующий в технологии заявителя, может иметь размер, зависящий от нагрузок преобразователя. В процессе переключения БТИЗ существуют большие всплески тока вследствие того, что магнитострикционная нагрузка является в высшей степени индуктивной. Таким образом, используемый БТИЗ зачастую сильно перегружается этими всплесками тока. Например, для типичного магнитострикционного преобразователя может потребоваться 9-10 А среднеквадратичного значения. Однако всплески тока могут достигать 300 А лишь на 1-2 мкс в течение переключения. Таким образом, подходящий БТИЗ для этого типа работы должен иметь номинал тока 300 А и номинал пикового тока 600 А.

- 3 012532

Вентильная возбуждающая схема на БТИЗ.

Важным аспектом успешной работы БТИЗ является правильное возбуждение его затвора. Общие способы управления затворами БТИЗ при управлении двигателем недостаточны для работы БТИЗ при использовании с магнитострикционным ультразвуковым зондом. В общем, вентильная возбуждающая схема управления двигателем пытается моделировать переменный ток, аналогичный стандартному переменному току 50 или 60 Гц, имеющемуся в сетевых розетках. Таким образом, БТИЗ пульсирует с переменной скважностью на очень высокой частоте. При низкой скважности (к примеру, 10 %) величина тока мала, затем, когда скважность возрастает, ток также увеличивается. При возбуждении БТИЗ для использования с ультразвуковым зондом имеется смещение по постоянному току для успешной работы. Величиной смещения по постоянному току можно управлять непосредственно в полномостовой системе путём изменения скважности разных затворов БТИЗ, как показано на фиг. 2. Величина смещения по постоянному току будет увеличиваться при более высокой скважности импульсной последовательности А, что, в свою очередь, соответственно, уменьшает скважность импульсной последовательности В, так что 2 разных импульса не являются высокими в одно и то же время.

Чтобы получить этот тип возбуждения затворов, используется генератор колебаний. Этот генератор колебаний может быть любым стандартным генератором колебаний, который способен изменять частоту и (или) скважность генерируемого колебания. В одном варианте осуществления вентильной возбуждающей схемы используется генератор треугольных колебаний. Например, треугольное колебание вырабатывается генератором 8038 треугольных колебаний. Микросхема 8038 обеспечивает управление шириной импульсов синфазного и квадратурного колебаний управления БТИЗ, что оказывает воздействие на управление мощностью полномостовой схемы на БТИЗ. В одном варианте осуществления в возбуждающей схеме используется эта схема с управлением переменной частотой и с управлением переменной шириной импульсов. Треугольная волна поступает на два компаратора ЬЕ 353, которые сравнивают предварительно установленное напряжение с положительным и отрицательным треугольными колебаниями для генерирования синфазного и квадратурного управляющих колебаний для полномостовой схемы на БТИЗ. Квадратурные управляющие колебания для полномостовой схемы на БТИЗ генерируются так, что пока положительное треугольное колебание больше, чем предварительно установленное напряжение, генерируется прямоугольное колебание с управляемой шириной импульсов, а пока отрицательное треугольное колебание меньше, чем предварительно установленное напряжение, генерируется квадратурное управляющее прямоугольное колебание. В альтернативном варианте осуществления в силовой схеме возбуждения используется генератор 2 МГц колебаний О1оЬа1 8рес1а11бек. Этот генератор колебаний может также использовать базовый генератор 8038 треугольных колебаний с положительным и отрицательным компараторами.

Фиг. 1 является упрощённой схемой, показывающей модель полномостовой схемы на БТИЗ с параллельным резонансным магнитострикционным преобразователем согласно одному варианту осуществления изобретения. Как показано на фиг. 1, Ω1, 02. р3, 04 являются четырьмя БТИЗ, которые составляют показанную полномостовую схему. Ό1, Ό2, Ό3, Ό4 являются четырьмя защитными диодами, которые предотвращают обратный ток через БТИЗ, которые были бы разрушены. Ь1 и Ь2 являются индуктивностью обмоток магнитострикционного преобразователя, который возбуждается полномостовой схемой. В полномостовой схеме по фиг. 1 показана только одна обмотка. С1 является параллельной ёмкостью, которая позволяет магнитострикционному преобразователю работать в резонансе. Однако на практике этот конденсатор может быть исключён из-за малых паразитных ёмкостей приборов, которые позволяют магнитострикционному преобразователю работать в резонансе в области от 15 до 20 кГц.

В работе полномостовая схема возбуждается возбуждающими импульсными последовательностями А и В затворов, как показано на фиг. 2. Первая импульсная последовательность А (последовательность

A) подаётся на затворы БТИЗ 01 и 04, а вторая импульсная последовательность В (последовательность

B) подаётся на затворы БТИЗ 02 и 03.

Как показано на фиг. 2, эти две импульсные последовательности взаимно инвертированы и сдвинуты по фазе на 180°, чтобы возбуждать расширение и сжатие магнитострикционного ультразвукового преобразователя. Эти сигналы оптически изолированы от затворов БТИЗ возбудителем затворов на оптопаре. Другая схема защиты возбудителя БТИЗ ограничивает напряжение затворов и блокирует этот сигнал, когда напряжение коллектор - эмиттер слишком высокое. Схема возбуждения затворов включает в себя буферный усилитель, который обеспечивает возбуждающий ток в несколько А.

Фиг. 3 является упрощённой схемой вида сбоку магнитострикционного преобразователя с овальным окном. На фиг. 3 показаны две обмотки, которые возбуждают ультразвуковой магнитострикционный преобразователь. Эти обмотки возбуждаются параллельно источником питания БТИЗ на оптимальной частоте работы. Первый выход полного моста соединён с центральным отводом каждой половины моста на 01 и 03. Второй выход полного моста соединён с выходами центральных отводов половин моста 02 и 04. Для этой конфигурации питающих импульсов магнитный поток через магнитострикционное тороидальное кольцо находится в фазе. Для конфигурации, показанной на фиг. 3, две обмотки намотаны в противоположных направлениях.

При работе схема по фиг. 1-3 обеспечивает новый способ возбуждения ультразвукового преобразо

- 4 012532 вателя. Полномостовой способ возбуждения ультразвукового преобразователя показан на фиг. 1, 2 и 3. Каждая из двух полумостовых схем полномостовой системы на БТИЗ возбуждает магнитострикционный материал преобразователя в сжатое состояние (отрицательный импульс) и в расширенное состояние (положительный импульс). Другие компоненты безопасности, включённые в полномостовую конструкцию и не показанные на фиг. 1, являются входными демпфирующими конденсаторами на силовом входе постоянного тока в две полумостовые схемы на БТИЗ, как показано на фиг. 1. В схеме по фиг. 1 БТИЗ представляют собой полупроводниковые приборы для низкочастотной области от 15 до 20 кГц. Альтернативно, используются МОП приборы в диапазонах от 200 до 300 кГц для ультразвуковой химической обработки.

В силу того, что БТИЗ основан на прямоугольных силовых импульсах, быстрые изменения тока в катушке индуктивности дают величину Ь-άΙ/άΐ, вызванную всплесками напряжения. Проблема высоковольтных всплесков требует БТИЗ с высоковольтными предельными нагрузками по сравнению со средним рабочим напряжением в резонансной схеме преобразователя. Хотя полномостовой параллельный резонансный возбудитель более эффективен по мощности, чем возбуждаемый тринисторами ультразвуковой преобразователь, он вырабатывает всплески, тогда как основанная на тринисторах система не вырабатывает всплесков. Это потому, что тринисторы лишь активно запускаются в положительном состоянии и выключаются в режиме коммутации, где преобразователь резонирует в режиме коммутации.

Фиг. 4 является упрощённой схемой для системы, воплощающей полномостовую возбуждающую схему на БТИЗ по фиг. 1, где микропроцессор выдаёт напряжение, соответствующее рабочей частоте генератора, управляемого напряжением (ГУН), согласно одному варианту осуществления изобретения. Микропроцессор просматривает рабочий частотный диапазон и записывает через соединение последовательного порта в генератор мощности постоянного тока соответствующий среднеквадратичный ток в амперах, идущий на ультразвуковой преобразователь. После просмотра частотного диапазона (к примеру, от 16 до 18 кГц) и записи мощного тока на каждом шаге микропроцессор выбирает напряжение, соответствующее максимальной мощности, и фиксирует его на этом значении рабочей частоты. В реакторе периодического действия этот процесс оптимизации имеет место в начале каждого периодического цикла. После того как рабочая частота установлена, пиковое резонансное напряжение устанавливается в точке ниже напряжения, где БТИЗ выходит из строя, путём подъёма или понижения скважности импульсной последовательности.

При работе схема по фиг. 4 обеспечивает новый способ управления рабочей частотой ультразвукового магнитострикционного преобразователя для отклика на изменения характеристик магнитострикционного материала в ответ на температурные изменения в ультразвуковом реакторе. В этой схеме управления используется микропроцессор с возможностями цифроаналогового и аналого-цифрового преобразования. В другом варианте осуществления вместо микропроцессора используется программируемый логический контроллер (ПЛК) (РЬС). Микропроцессор или контроллер дискретизирует (через цифроаналоговый порт) максимальное напряжение или напряжение пиковой огибающей. Напряжение пиковой огибающей используется микропроцессором для управления средней шириной возбуждающих силовых импульсов. Время включения положительных и отрицательных импульсных последовательностей на фиг. 2 ограничивается так, что всплески напряжения не переходят ограничивающее напряжение выхода БТИЗ из строя. Для того чтобы установить резонансную частоту преобразователя, средний входной постоянный ток считывается через последовательный порт генератора мощности постоянного тока посредством последовательного порта микропроцессора или ПЛК. В одном варианте осуществления максимальный среднеквадратичный ток отклонения преобразователя или пассивного магнитострикционного элемента считывается, когда рабочая частота просматривается для оптимизации частоты ультразвуковых вибраций. Предпочтительно микропроцессор или контроллер просматривает диапазон рабочих частот от 16 до 18 кГц путём увеличения выходного напряжения генератора, управляемого напряжением (через цифроаналоговый порт). При каждом просмотре частоты среднеквадратичный ток в амперах считывается и записывается через последовательный порт. После того как рабочая частота установлена, ширина импульсов может увеличиваться или уменьшаться так, чтобы резонансное напряжение не переходило напряжения выхода БТИЗ из строя.

Фиг. 5 является графиком 500 примерного колебания выходной мощности, выдаваемого силовой возбуждающей схемой в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Прямоугольное колебание 502 показывает от 0 до 400 В, выводимые из управляемого микропроцессором источника напряжения постоянного тока. +200 В и -200 В выводятся с каждой стороны полномостовой силовой схемы. Более низкая форма 504 колебания показывает полную форму колебания активного и реактивного тока. Реактивную составляющую токового колебания можно найти из уравнения У=Ь-б1/б1, где Ь является индуктивностью двойной обмотки катушек, намотанных на петлевых магнитострикционных магнитах. Полный выдаваемый среднеквадратичный ток составляет 20 А. Этот ток даёт полную активную мощность приблизительно 4 кВт. Форма колебания показывает ток от 0 до 60 А. Реактивный ток переходит в реактивную мощность, которая используется для поддержания вибраций в магнитострикционном слоистом сердечнике и в основании преобразователя и износостойком наконечнике. Потери в сер

- 5 012532 дечнике вызываются потерями от вихревых токов. Для 2-дюймового сердечника, состоящего из 500 пластин толщиной 4 мил (тысячная доля дюйма), общие потери составляют приблизительно 300 Вт, которые являются тепловыми потерями. Активные потери в основании преобразователя износостойкого наконечника происходят от мощности, требуемой для действия против силы тяжести, и механических потерь в основании и износостойком наконечнике, которые также вносят вклад в тепловые потери.

В одном варианте осуществления генератор, управляемый напряжением, основан на микросхеме 8038, которая генерирует полное прямоугольное колебание с положительными и отрицательными прямоугольными составляющими. Выходной сигнал из генератора, управляемого напряжением, разделяется на положительную и отрицательную импульсные последовательности, как показано на фиг. 2, пропусканием полного колебания в положительно и отрицательно запитываемые операционные усилители, использующие микросхемы ЕР353. Инвертирующий и неинвертирующий усилители поднимают пиковое положительное и отрицательное импульсное напряжение до 15 В, требуемых четырьмя БТИЗ. Альтернативно, вместо ГУН в схеме оптимизации мощности можно использовать промышленный генератор колебаний, доступный для управления с компьютера через порт КБ 232.

В альтернативном варианте осуществления ГУН не используется. Вместо ГУН датчики на эффекте Холла детектируют положительные и отрицательные пересечения током нуля. При положительном пересечении током нуля положительный импульс посылается на базу 61 и О 4 на фиг. 1 и 4, а при отрицательном пересечении током нуля отрицательный импульс посылается на базу 02 и 03 БТИЗ.

Как будет понятно специалистам, другие эквивалентные или альтернативные способы и схемы для возбуждения ультразвукового преобразователя высокой мощности и с переменной нагрузкой согласно вариантам осуществления настоящего изобретения могут предусматриваться без отхода от его существенных признаков. Например, затворы БТИЗ могут возбуждаться импульсной последовательностью посредством любого подходящего генерирующего устройства или системы, как описано выше. Соответственно, вышеприведённое описание предназначено для иллюстрации, но не для ограничения объёма изобретения, который излагается в нижеприведенной формуле изобретения.

Claims (7)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Ультразвуковой генератор для подачи ультразвуковой энергии высокой мощности к переменной нагрузке, содержащий генератор колебаний переменной частоты, источник напряжения, магнитострикционный преобразователь с катушкой, выполненной с возможностью приёма усиленного сигнала, чтобы подавать ультразвуковую энергию высокой мощности к переменной нагрузке, полномостовую схему, включающую в себя две полумостовые схемы, каждая из которых содержит два биполярных транзистора с изолированным затвором, причем полномостовая схема подключена между указанным источником напряжения и магнитострикционным преобразователем для формирования усиленного сигнала для магнитострикционного преобразователя, и широтно-импульсный модулятор, который соединен с генератором колебаний и формирует два сигнала импульсных последовательностей, сдвинутых по фазе на 180° и инвертированных по отношению один к другому, при этом каждый сигнал импульсной последовательности связан с соответствующим биполярным транзистором с изолированным затвором каждой полумостовой схемы, и скважность одной импульсной последовательности больше, чем скважность другой импульсной последовательности.
2. 2. Ультразвуковой генератор по п.1, в котором генератор колебаний переменной частоты генерирует треугольные колебания.
3. 3. Ультразвуковой генератор по п.1, в котором упомянутый источник напряжения содержит регулируемый источник изменяемого напряжения постоянного тока.
4. 4. Ультразвуковой генератор по п.1, дополнительно содержащий микропроцессор, при этом генератор колебаний переменной частоты содержит генератор, управляемый напряжением, и соединен с указанным микропроцессором для приема сигнала, который устанавливает частоту его колебаний, равную соответствующему значению из диапазона рабочих частот генератора, причем источник напряжения соединен с микропроцессором и обеспечивает его представлением среднеквадратичного тока, поступающего на указанный преобразователь, при этом микропроцессор подает сигналы в генератор, управляемый напряжением, для просмотра диапазона рабочих частот генератора за множество шагов микропроцессор записывает представления соответствующих среднеквадратичных токов, поступающих на преобразователь на каждом шаге, затем микропроцессор подает сигнал в генератор, управляемый напряжением, для выбора частоты колебаний, соответствующей максимальной мощности, поступающей в преобразователь.
5. 5. Ультразвуковой генератор по п.1, в котором по меньшей мере один из сигналов импульсной последовательности содержит асимметричную последовательность прямоугольных импульсов.
6. 6. Ультразвуковой генератор по п.1, дополнительно содержащий микропроцессор и детектор напряжения пиковой огибающей, соединенный с биполярным транзистором с изолированным затвором и

   - 6 012532 микропроцессором и выполненный с возможностью формирования для микропроцессора представления пикового напряжения на указанном биполярном транзисторе с изолированным затвором, при этом широтно-импульсный модулятор соединен с микропроцессором для приема сигнала, управляющего скважностью модулятора, причем микропроцессор подает сигнал в широтно-импульсный модулятор для управления скважностью в зависимости от принятого представления пикового напряжения на указанном биполярном транзисторе с изолированным затвором.
7. 7. Ультразвуковой генератор по п.6, в котором скважность ограничена таким образом, чтобы всплески напряжения не превышали напряжения выхода из строя биполярного транзистора с изолированным затвором.