EP0340470A1 - Verfahren und Schaltung zur Anregung eines Ultraschallschwingers und deren Verwendung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit - Google Patents

Verfahren und Schaltung zur Anregung eines Ultraschallschwingers und deren Verwendung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit Download PDF

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EP0340470A1
EP0340470A1 EP89106106A EP89106106A EP0340470A1 EP 0340470 A1 EP0340470 A1 EP 0340470A1 EP 89106106 A EP89106106 A EP 89106106A EP 89106106 A EP89106106 A EP 89106106A EP 0340470 A1 EP0340470 A1 EP 0340470A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
oscillator
voltage
ultrasonic
ultrasonic oscillator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP89106106A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank-Peter Jagdt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Satronic AG
Original Assignee
Satronic AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Satronic AG filed Critical Satronic AG
Publication of EP0340470A1 publication Critical patent/EP0340470A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B06B1/0223—Driving circuits for generating signals continuous in time
    • B06B1/0238—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave
    • B06B1/0246—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave with a feedback signal
    • B06B1/0253—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave with a feedback signal taken directly from the generator circuit
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B05B17/0607—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/70—Specific application
    • B06B2201/77—Atomizers

Definitions

  • the invention relates to a method for exciting an ultrasonic vibrator according to the preamble of claim 1, a circuit for exciting the ultrasonic vibrator according to this method, and the use of the method for atomizing a liquid.
  • Such parameters are, for example, the manufacturing tolerances of the mechanical components of the ultrasonic vibrator and in particular its atomizing plate, the variations in the mechanical and electrical parameters of the piezoceramic used in its manufacture, the operating temperature of the ultrasonic transducer (very important when used in burners), the aging of the ultrasonic transducer, the deposits that form on it (such as soot and resins during use) in burners), the properties of the medium to be atomized, and also the manufacturing, adjustment and other tolerances in the excitation circuit.
  • the cessation of atomization must be reliably recognized. If the exposure is caused by droplets remaining on the atomizing plate, it must also be ensured that they are thrown off the atomizing plate.
  • a practical requirement for industrial applicability is the free interchangeability of the excitation circuit and the ultrasonic oscillator itself or, if applicable, its atomizing plate, and without any adjustment work and without high tolerance requirements on the spare parts or on the components of the circuit (which is particularly important when individual components are replaced due to repairs is).
  • the active power of the ultrasonic vibrator or its atomizing plate must be adjustable in the largest possible dynamic range, and the control of active power and frequency must not influence each other. Furthermore, changes in the aforementioned parameters and the operating voltage must have little or no influence on the function of the control loops.
  • the disadvantage of this solution is that the circuit has to be matched to the ultrasonic vibrator and in particular to its resonance target frequency, so that the operation of the ultrasonic vibrator cannot be tracked to the changes in some of the parameters listed above and the easy interchangeability of components is not guaranteed .
  • a reliable function is not guaranteed when starting up, especially under load and with changing operating conditions, since the impedance and thus the phase relationships between the current and voltage of the ultrasonic transducer change significantly with changes in load, and thus a tracking of the optimal oscillation frequency, derived from the phase relationships between current and Voltage in the ultrasonic transducer is not possible. It is not possible to achieve a real compensation of the capacitance of the ultrasonic vibrator by means of an inductor, because of the capacitance which changes during operation and in particular when there are changes in load.
  • the disadvantage here is that with ultrasonic transducers that do not reach the maximum adjustable power, the excitation circuit no longer locks onto the desired operating frequency when there is a high power requirement can.
  • a further disadvantage is that the current / frequency characteristic near the parallel resonance, that is to say at low powers, has a low slope, which leads to the control oscillation being interrupted and, consequently, to the wobble generator being switched on for no reason. The dynamic range of the power control is severely limited by these two phenomena.
  • the object of the invention is to avoid the aforementioned disadvantages and to enable cost-effective and reliable control of an ultrasonic vibrator.
  • the An Excitation of the ultrasonic vibrator 1 takes place via an output stage 2, which is supplied with a current I from a source of a direct voltage U.
  • the output stage 2 is controlled by a driver stage 3, which in turn receives a signal of frequency f from a voltage-controlled oscillator 4.
  • the voltage-controlled oscillator 4 is known per se (“VCO”) and is constructed using commercially available components.
  • the permissible voltage swing at its control input is predetermined, the corresponding frequency swing at its signal output can be adjusted in a known manner by the value of frequency-determining components that can be connected to the oscillator 4 and are not shown in FIG. 1, which can be resistors and / or capacitors when using analog technology , when using digital technology can include a crystal oscillator and signal inputs to corresponding programming inputs.
  • the control input of the oscillator 4 receives a signal from a triangular generator 5, so that the frequency f is wobbled depending on the output voltage of the triangular generator 5.
  • the triangle generator 5 increases or decreases its output voltage and the oscillator 4 its frequency f.
  • FIG. 2 shows an example of an embodiment of the output stage 2 of the circuit according to FIG. 1.
  • the ultrasonic vibrator 1 is excited via a transformer 21, which ensures galvanic isolation of the ultrasonic vibrator 1 and, if necessary (depending on its winding conditions), the excitation with different voltage ranges Voltage U allowed.
  • the output stage 2 comprises two transistors 22 and 23, which are driven by the driver stage 3 in push-pull and alternately switch the current I through to one half of the primary winding of the transformer 21.
  • the driver stage 3 supplies the phases necessary for the transistors 22 and 23 correct signals depending on the signal of the frequency f fed to the driver stage 3.
  • Such a driver stage is well known to the person skilled in the art and need not be described in more detail here.
  • the excitation circuit for the ultrasonic oscillator 1 is closed via a current measuring resistor 24.
  • a capacitor 25 leads the changes in the current I occurring at the frequency f directly from the transistors 22 and 23 back to the source of the voltage U, and thereby causes the voltage drop V occurring at the current measuring resistor 24 to be proportional to the temporal mean value of the current I, ie has no significant variation on frequency f.
  • the excitation frequency f is plotted on the abscissa and the voltage drop V measured at the current measuring resistor 24 is plotted on the ordinate.
  • the frequency range 32 of the control oscillation of a resonance detection control circuit of the circuit described below is also indicated in FIG. 3 when it is in the state locked onto the desired resonance frequency f r .
  • the voltage drop V across the current measuring resistor 24 is also a direct measure of the electrical power supplied to the ultrasonic oscillator 1. This in turn is a useful measure of the atomizing power of the ultrasonic vibrator 1 when it is provided with an atomizing plate and is used to atomize a liquid.
  • the characteristic curve 31 shown in FIG. 3 corresponds to the well-known impedance curve (ie here also the reactance curve) of a resonance system like that of a piezo oscillator.
  • the maximum 33 recognizable on the characteristic curve 31 corresponds to the series resonance resulting from the known equivalent circuit diagram of an oscillator, the recognizable minimum 34 corresponds to the parallel resonance resulting from the same equivalent circuit diagram.
  • the ratio of the currents I at the maximum 33 and at the minimum 34 is essentially determined by the impedance behavior of the ultrasonic oscillator 1.
  • the output voltage of the triangle generator 5 is fed to a window comparator 6. As will be seen from the following, this output voltage is always between the two window limits of the window comparator 6. If the output voltage of the triangle generator 5 now reaches the upper or lower window limit of the window comparator 6, this controls a set input or the set window or Reset input of a D flip-flop 7, which causes this flip-flop 7 to tilt (the conversion of the output signal of a window comparator into control signals for the inputs of a flip-flop is well known to the person skilled in the art and need not be described in more detail here).
  • the window comparator 6 monitors the wobble direction of the oscillator 4, and the flip-flop 7 serves as a memory for the wobble direction.
  • An output of the flip-flop 7 supplies a signal to a control input of the triangle generator 5. This signal determines the wobble direction.
  • the tilting of the flip-flop 7 causes the wobble direction to be reversed, and the ultrasonic oscillator 1 is operated at a frequency which is between a lower frequency f and an upper frequency f o (see FIG. 3) is wobbled uniformly as long as the clock input of the flip-flop 7 receives no pulses.
  • the voltage drop V across the current measuring resistor 24 is delayed in an all-pass filter 8 by a frequency-dependent amount of time.
  • the voltage drop V and the voltage drop delayed in the all-pass filter 8 are each fed to an input of a comparator 9, if appropriate after they have been freed from interference signals by filtering (not shown) and converted into suitable signals by an amplification (not shown).
  • the comparator 9 supplies a signal to the clock input of the flip-flop 7, which causes the flip-flop 7 to tilt and thus the signal at the control input of the triangle generator 5 changes and reverses the respective wobble direction of the oscillator 4.
  • the wobble direction is thus determined by the value of the instantaneous difference between the delayed voltage drop and the undelayed voltage drop, or by comparing this difference with a threshold.
  • the ultrasonic oscillator 1 If the ultrasonic oscillator 1 is operated in a state in which there is no resonance peak 33 or an insufficiently pronounced resonance peak, inter alia if the ratio of the currents I at the maximum 33 and the minimum 34 corresponds to an excessively damped impedance behavior of the ultrasonic oscillator 1, the wobble direction is reversed , when the triangle generator 5 delivers an output voltage which corresponds to the lower frequency limit f u or the upper frequency limit f o . This is the case, for example, if the ultrasonic vibrator 1 is used to atomize a liquid and is too strongly dampened by attached drops.
  • the wobble frequency can usefully be set in the area of the natural resonance of the attached drop in order to throw it off.
  • the ultrasonic oscillator 1, the output stage 2, the current measuring resistor 24, the all-pass filter 8, the comparator 9, the flip-flop 7, the triangle generator 5, the oscillator 4 and the driver stage 3 form a control circuit which, due to its design, regulates the excitation frequency of the excitation frequency Ultrasonic vibrator 1 around its series resonance frequency f r executes.
  • the delay in the all-pass filter 8 and the switching thresholds in the comparator 9 it is achieved that only the course of the resonance curve, which is typical for proper atomization, is recognized as real resonance. This suitable choice results from the wobble frequency used, the frequency spacing between the series resonance 33 and the parallel resonance 34 of the ultrasonic oscillator, and from the control properties of the assemblies contained in the control loop.
  • the wobble direction is reversed when the delayed voltage drop is greater than the undelayed voltage drop V by a predetermined amount. This has the result that the excitation frequency f of the ultrasonic vibrator 1 changes periodically in a region 32 around the resonance frequency, that is, this frequency control loop has a constant amplitude swings.
  • the instantaneous frequency and amplitude of the current I depend on the damping of the ultrasonic oscillator in the region of the resonance (cf. FIG. 3) in accordance with the selected sweep speed.
  • a low attenuation corresponds to a high instantaneous amplitude and high instantaneous frequency, with a correspondingly large difference between the undelayed and the delayed voltage drop.
  • the circuit thus causes the excitation frequency f of the ultrasonic oscillator to sweep through a predetermined frequency range, namely until the resonance detection snaps into place, ie the wobble direction is reversed before the frequency limit f u or f o is reached. Then the excitation frequency f of the ultrasonic oscillator locks into its resonance frequency f r , provided that this resonance is of a sufficiently high quality (for example, the ultrasonic oscillator is not dampened by attached drops).
  • the criterion for the engagement is the rate of change of the current I flowing through the output stage 2, which is in a first approximation proportional to the active power of the ultrasonic vibrator 1.
  • the desired power of the ultrasonic vibrator can be set by setting the operating voltage U of the output stage 2, for example using an adjustable voltage source (not shown). If the active power of the ultrasonic vibrator is also to be controlled, e.g. the current I is multiplied by the operating voltage U and the result of this multiplication is compared with the desired power.
  • the method described here has the advantage, among other things, that the functions of the resonance detection and the power control are separate, ie the resonance detection can work over a dynamic range of more than 1:10.
  • the process also works continuously, so it is not external time processes bound and can therefore easily follow changes such as changes in operational damping, power, resonance frequency, etc. Attached drops are shaken off faster than with the use of previously known methods, since wobbling is not rigid across the entire frequency range, but the switching between a frequency of the highest and the highest at a certain level of damping, for example, even with a partially shaken off drop Active power and one of the two frequency limits wobbles.
  • the analysis of the characteristic curve 31 can also be carried out by directly deriving the current I or the voltage drop V according to the frequency f. This is again equivalent to deriving the current I or the voltage drop V over time, since the frequency f determined by the triangle generator 5 varies linearly with time. Such a derivation is only the limiting case of the previously described difference formation in the event of a time delay tending towards zero at the all-pass filter 8.
  • the invention has been described in connection with an ultrasonic oscillator, in particular a piezoelectric ultrasonic oscillator, the use of which, e.g. is atomizing a liquid.
  • the invention is also advantageously applicable to other resonance systems, the resonance of which lies in a defined frequency range and can change depending on various parameters and in particular on the usual variation in the properties of ultrasonic oscillators and circuit components produced in series.

Abstract

Ein Ultraschallschwinger (1) wird durch das Ausgangssignal eines spannungsgesteuerten Oszillators (4) angeregt. Dieser wird mit einem Dreieckgenerator (5) so geregelt (6, 7), dass seine Frequenz in einem die Serienresonanz des Ultraschallschwingers umschliessenden Bereich periodisch gewobbelt wird. Man bildet eine der Dämpfung des Ultraschallschwingers entsprechende Messgrösse (I, V) und vergleicht sie mit einer höchstzulässigen Dämpfung. Ist die festgestellte Dämpfung kleiner ist als die höchstzulässige Dämpfung, wird der Oszillator (4) zusätzlich in Abhängigkeit von der Messgrösse geregelt. Diese ist vorzugsweise eine Funktion des Anregungsstroms (I) des Ultraschallschwingers. Vorzugsweise wird davon ein momentaner Wert (24) und ein verzögerter Wert (8) gebildet und deren Differenz mit einem Schwellenwert verglichen (9): wenn diese Differenz gleich dem Schwellenwert wird, wird die Wobbelrichtung (7, 5) umgekehrt. Die Leistung am Ultraschallschwinger kann durch Variation der Betriebspannung (U) der dem Ultraschallschwinger vorgeschalteten Endstufe (2) geregelt werden. Das Verfahren ist zur Zerstäubung einer Flüssigkeit durch einen mit einem Zerstäuberteller versehenen Ultraschall schwinger verwendbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anregung eines Ultraschallschwingers gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Schaltung zur Anregung des Ultraschallschwingers nach diesem Verfahren, sowie die Verwendung des Verfahrens zur Zerstäubung einer Flüssigkeit.
  • Die Möglichkeit, Flüssigkeiten mit Hilfe von piezoelektri­schen Ultraschallschwingern zu zerstäuben, ist wohlbekannt. Beispielsweise sind im Aufsatz von W.-D. Drews "Flüssigkeits­zerstäubung durch Ultraschall" in "Elektronik" (1979), Heft 10, Seiten 83-90 das Prinzip dieses Verfahrens, ein mit einem Zerstäuberteller versehener Ultraschallschwinger und eine Schaltung zur Anregung dieses Ultraschallschwingers kurz be­schrieben.
  • Die technische Realisierung der Zerstäubung einer Flüssigkeit mit Hilfe eines Ultraschallschwingers wird aber durch mehrere Probleme erschwert:
    Da eine Zerstäubung nur in der Nähe der Resonanz der aus dem Ultraschallschwingers und seinem Zerstäuberteller bestehenden Einheit möglich ist, muss die nötige Anre­gungsfrequenz sehr genau eingehalten werden. Das Einras­ten des Oszillators der Anregungsschaltung auf eine Scheinresonanz, die keiner wirksamen Zerstäubung ent­spricht, muss mit Sicherheit ausgeschlossen werden.
    Die Anregungsschaltung muss in der Lage sein, die Anre­gungsfrequenz entsprechend den Veränderungen verschiede­ner Parameter nachzuführen. Solche Parameter sind bei­spielsweise die Fertigungstoleranzen der mechanischen Komponenten des Ultraschallschwingers und insbesondere seines Zerstäubertellers, die Variationen der mechani­schen und elektrischen Kenngrössen der zu seiner Her­stellung verwendeten Piezokeramik, die Betriebstempera­tur des Ultraschallschwingers (sehr wichtig bei der Ver­wendung in Brennern), die Alterung des Ultraschall­schwingers, die sich darauf bildenden Ablagerungen (wie z.B. Russ und Harze bei der Anwendung in Brennern), die Eigenschaften des zu zerstäubenden Mediums, und auch die Fertigungs-, Justier- und sonstigen Toleranzen in der Anregungsschaltung.
    Das Aussetzen der Zerstäubung muss sicher erkannt wer­den. Wenn das Aussetzen durch am Zerstäuberteller hän­genbleibende Tröpfchen verursacht wird, muss auch ihr Abschleudern vom Zerstäuberteller gewährleistet sein.
    Eine praktische Anforderung an die industrielle Einsetz­barkeit ist die freie Austauschbarkeit der Anregungs­schaltung und des Ultraschallschwingers selbst oder ge­gebenenfalls seines Zerstäubertellers, und zwar ohne jegliche Abgleicharbeiten und ohne hohe Toleranzanforde­rungen an die Ersatzteile oder an die Komponenten der Schaltung (was bei reparaturbedingtem Ersatz einzelner Komponenten von besonderer Wichtigkeit ist).
    Die Wirkleistung des Ultraschallschwingers bzw. seines Zerstäubertellers muss in einem möglichst grossen Dyna­mikbereich regelbar sein, und die Regelung von Wirk­leistung und Frequenz dürfen sich nicht gegenseitig beeinflussen. Ferner dürfen Änderungen der vorgenannten Parameter und der Betriebsspannung keinen oder einen nur sehr geringen Einfluss auf die Funktion der Regelkreise haben.
  • Zur Lösung dieser Probleme wurden bereits verschiedene Ver­fahren bzw. Schaltungen vorgeschlagen.
  • In DE-3222425 wurde vorgeschlagen, den Ultraschallschwinger über ein Anpassnetzwerk anzuregen, das unter anderem das An­schwingen des Ultraschallschwingers auf Oberwellen seiner Resonanzfrequenz unterdrücken soll. Die Gleichstromkomponente des Resonatorstromes dient der Regelung des Anregungssstromes und die Wechselstromkomponente des Resonatorstroms dient der Regelung der Anregungsfrequenz, wobei ein Bandpass nur die Frequenzkomponente auf der Resonanz-Sollfrequenz des Ultra­schallschwingers durchlässt. Bei Ausfall der Resonanz wird die Anregungsfrequenz gewobbelt, um den Resonanzpunkt zu durchlaufen und das Wiedereinrasten zu erreichen. Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass die Schaltung auf den Ultra­schallschwinger und insbesondere auf seine Resonanz-Sollfre­quenz abgestimmt sein muss, so dass der Betrieb des Ultra­schallschwingers den Änderungen einiger der vorstehend aufge­führten Parameter nicht nachgeführt werden kann und auch die leichte Austauschbarkeit von Komponenten nicht gewährleistet ist. Eine zuverlässige Funktion ist beim Anschwingen vor allem unter Last und bei sich ändernden Betriebsbedingungen nicht gewährleistet, da sich die Impedanz und damit die Pha­senbeziehungen zwischen Strom und Spannung des Ultraschall­schwingers bei Belastungsänderungen stark ändern und damit eine Nachführung der optimalen Schwingfrequenz, abgeleitet aus Phasenbeziehungen zwischen Strom und Spannung im Ultra­schallschwinger, nicht möglich ist. Mittels einer Induktivi­tät eine echte Kompensation der Kapazität des Ultraschall­schwingers zu erreichen, ist wegen der sich im Betrieb und insbesondere bei Belastungsänderungen ändernden Kapazität nicht möglich.
  • In etwas anderer Ausbildung wurde ähnliches in US-4275363 vorgeschlagen, wobei auch die gleichen, vorstehend erwähnten Nachteile entstehen.
  • In DE-3314609 wurde vorgeschlagen, den Ultraschallschwinger mit getakteter variabler Anregungsleistung ("Bursts") unter Verwendung von unterschiedlichen Steuerzeiten zu betreiben. Die abklingende Schwingung wird zur Frequenzregelung herange­zogen. Nachteilig ist dabei, dass es für das richtige Funk­tionieren nötig ist, entweder die Schaltung an das einzelne verwendete Exemplar des Ultraschallschwingers anzupassen oder entsprechend geringe Toleranzen für den Ultraschallschwinger und die Komponenten der Schaltung vorzusehen, und dass die Leistung über die Zeit nicht konstant ist.
  • In etwas anderer Ausbildung wurde ähnliches in DE-3401735 vorgeschlagen, wobei auch die gleichen, vorstehend erwähnten Nachteile entstehen.
  • In DE-3534853 wurde vorgeschlagen, den Ultraschallschwinger mit getakteter Anregungsleistung ("Bursts") zu betreiben und für den automatischen Frequenzabgleich eine Strommessung zu ganz bestimmten Zeiten vorzunehmen. Nachteilig und insbeson­dere kostspielig ist dabei die notwendige Zwischenspeicherung der Werte der Strommessung sowie die genaue Synchronisation der Steuerabläufe.
  • Im Schweizer Patentgesuch Nr. 3155/87-0 vom 17.08.1987 wurde unter anderem vorgeschlagen, bei konstanter Anregungsspannung am Ultraschallschwinger die Leistung über eine Variation der Betriebsfrequenz in dem zwischen der Serienresonanz und der Parallelresonanz des Ultraschallschwingers liegenden Fre­quenzbereich zu regeln. Die Verstärkung des dazu bestimmten Regelkreises ist so ausgelegt, dass leichte Regelschwingungen auftreten, wenn der Ultraschallschwinger ungedämpft schwingt. Wenn die Regelschwingungen hingegen fehlen, wird ein Wobbel­generator aufgeschaltet, um am Ultraschallschwinger eventuell anhängende Tropfen abzuschütteln und die Betriebsfrequenz neu zu suchen. Nachteilig ist dabei, dass mit Ultraschallschwin­gern, welche nicht die maximale einstellbare Leistung errei­chen, die Anregungsschaltung bei hoher Leistungsanforderung nicht mehr auf der gewünschten Betriebsfrequenz einrasten kann. Ein weiterer Nachteil ist auch, dass die Strom/Frequenz-­Kennlinie nahe der Parallelresonanz, also bei niedrigen Leis­tungen, eine geringe Steilheit aufweist, was zum Aussetzen der Regelschwingung und damit zum unbegründeten Aufschalten des Wobbelgenerators führt. Der Dynamikbereich der Leistungs­regelung wird durch diese beiden Phänomene stark einge­schränkt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und eine kostengünstige und funktionssichere An­steuerung eines Ultraschallschwingers zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfah­ren gelöst. Eine Verwendung des Verfahrens ist im Anspruch 8 und eine Schaltung zur Ausführung dieses Verfahrens im An­spruch 9 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfah­rens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7.
  • Im nachstehenden wird ein Beispiel einer Ausbildung der Er­findung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemässen Schaltung zur Anregung eines Ultraschallschwingers,
    • Fig. 2 ein Beispiel einer Ausbildung der Endstufe der Schaltung gemäss Fig. 1, und
    • Fig. 3 eine schematische Kennlinie des zeitlichen Mittel­werts des die Endstufe der Schaltung gemäss Fig. 2 durchfliessenden Stromes, gemessen als Spannungsab­fall an einem Strommesswiderstand, als Funktion der Anregungsfrequenz des Ultraschallschwingers.
  • Fig. 1 zeigt eine Schaltung zur Anregung eines Ultraschall­schwingers 1, dessen an sich bekannter Zerstäuberteller (vgl. beispielsweise in DE-3534853) nicht dargestellt ist. Die An­ regung des Ultraschallschwingers 1 erfolgt über eine Endstufe 2, die von einer Quelle einer Gleichspannung U mit einem Strom I gespeist wird. Die Endstufe 2 wird von einer Treiber­stufe 3 gesteuert, die ihrerseits ein Signal der Frequenz f von einem spannungsgesteuerten Oszillator 4 erhält.
  • Der spannungsgesteuerte Oszillator 4 ist an sich bekannt ("VCO") und mit handelsüblichen Bauelementen aufgebaut. Der zulässige Spannungshub an seinem Steuereingang ist vorgege­ben, der entsprechende Frequenzhub an seinem Signalausgang ist auf bekannte Weise durch den Wert von am Oszillator 4 anschliessbaren, in Fig. 1 nicht dargestellten frequenzbe­stimmenden Bauelementen einstellbar, die bei Verwendung von Analogtechnik Widerstände und/oder Kondensatoren sein können, bei Verwendung von Digitaltechnik einen Quarzoszillator und Signaleingaben auf entsprechende Programmiereingänge umfassen können.
  • Der Steuereingang des Oszillators 4 erhält ein Signal von einen Dreieckgenerator 5, so dass die Frequenz f in Abhängig­keit der Ausgangsspannung des Dreieckgenerators 5 gewobbelt wird. Entsprechend der Wobbelrichtung erhöht oder vermindert der Dreieckgenerator 5 seine Ausgangsspannung und der Oszil­lator 4 seine Frequenz f.
  • Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Ausbildung der Endstufe 2 der Schaltung gemäss Fig. 1. Der Ultraschallschwinger 1 wird über einen Transformator 21 angeregt, der eine galvanische Tren­nung des Ultraschallschwingers 1 gewährleistet und gegebenen­falls (je nach seinen Windungsverhältnissen) die Anregung mit verschiedenen Spannungsbereichen der Spannung U gestattet. Die Endstufe 2 umfasst zwei Transistoren 22 und 23, die von der Treiberstufe 3 im Gegentakt angesteuert werden und wech­selweise den Strom I auf je eine Hälfte der Primärwicklung des Transformators 21 durchschalten. Die Treiberstufe 3 lie­fert die für die Transistoren 22 und 23 notwendigen phasen­ richtigen Signale in Abhängigkeit von dem der Treiberstufe 3 zugeführten Signal der Frequenz f. Eine solche Treiberstufe ist dem Fachmann wohlbekannt und braucht hier nich näher beschrieben zu werden. Der Anregungsstromkreis für den Ultra­schallschwinger 1 wird über einen Strommesswiderstand 24 geschlossen. Ein Kondensator 25 führt die auf der Frequenz f erfolgenden Änderungen des Stromes I direkt von den Transis­toren 22 und 23 auf die Quelle der Spannung U zurück und bewirkt dadurch, dass der am Strommesswiderstand 24 auftre­tende Spannungsabfall V dem zeitlichen Mittelwert des Stromes I proportional ist, d.h. keine nennenswerte Variation auf der Frequenz f aufweist.
  • Fig. 3 zeigt eine schematische, d.h. qualitativ dargestellte Kennlinie 31 des zeitlichen Mittelwerts des Stromes I als Funktion der Anregungsfrequenz f des Ultraschallschwingers. Auf der Abszisse ist die Anregungsfrequenz f und auf der Ordinate der am Strommesswiderstand 24 gemessene Spannungs­abfall V eingetragen. Angedeutet ist in Fig. 3 auch der Frequenzbereich 32 der Regelschwingung eines nachstehend beschriebenen Resonanzerkennungs-Regelkreises der Schaltung, wenn dieser sich in den auf der gewünschten Resonanzfrequenz fr eingerasteten Zustand befindet.
  • Da die Verluste in der Endstufe 2 und im Transformator 21 im Vergleich zur Nutzleistung genügend klein gehalten werden können, ist der Spannungsabfall V am Strommesswiderstand 24 auch ein direktes Mass für die dem Ultraschallschwinger 1 zugeführte elektrische Leistung. Diese ist ihrerseits ein brauchbares Mass für die Zerstäubungsleistung des Ultra­schallschwingers 1, wenn dieser mit einem Zerstäuberteller versehen und zur Zerstäubung einer Flüssigkeit verwendet wird.
  • Die in Fig. 3 dargestellte Kennlinie 31 entspricht dem wohl­bekannten Impedanzverlauf (d.h. hier auch Reaktanzverlauf) eines Resonanzsystems wie dasjenige eines Piezoschwingers. Das auf der Kennlinie 31 erkennbare Maximum 33 entspricht der sich aus dem bekannten Ersatzschaltbild eines Schwingers er­gebenden Serienresonanz, das erkennbare Minimum 34 entspricht der sich aus demselben Ersatzschaltbild ergebenden Parallel­resonanz. Das Verhältnis der Ströme I beim Maximum 33 und beim Minimum 34 (also auch das Verhältnis der entsprechenden Werte des Spannungsabfalls V) wird im wesentlichen durch das Impedanzverhalten des Ultraschallschwingers 1 festgelegt.
  • Wie in Fig. 1 dargestellt, wird die Ausgangsspannung des Dreieckgenerators 5 einem Fensterkomparator 6 zugeführt. Wie aus dem nachstehenden hervorgehen wird, liegt diese Ausgangs­spannung stets zwischen den beiden Fenstergrenzen des Fenster­komparators 6. Wenn nun die Ausgangsspannung des Dreieckgene­rators 5 die obere bzw. die untere Fenstergrenze des Fenster­komparators 6 erreicht, steuert dieser ja nach der eben er­reichten Fenstergrenze einen Setzeingang bzw. Rücksetzeingang eines D-Flipflops 7 an, was diesen Flipflop 7 kippen lässt (die Umsetzung des Ausgangssignals eines Fensterkomparators in Steuersignale für die Eingänge eines Flipflops ist dem Fachmann wohl bekannt und braucht hier nicht näher beschrieben zu werden). Somit überwacht der Fensterkomparator 6 die Wob­belrichtung des Oszillators 4, und der Flipflop 7 dient als Speicher für die Wobbelrichtung.
  • Ein Ausgang des Flipflops 7 liefert ein Signal an einen Steuereingang des Dreieckgenerators 5. Dieses Signal bestimmt die Wobbelrichtung. Wenn also die Ausgangsspannung des Drei­eckgenerators 5 die obere bzw. die untere Fenstergrenze des Fensterkomparators 6 erreicht, bewirkt das Kippen des Flip­flops 7 die Umkehr der Wobbelrichtung, und der Ultraschall­schwinger 1 wird mit einer Frequenz betrieben, die zwischen einer unteren Frequenz f und einer oberen Frequenz fo (vgl. Fig. 3) gleichmässig gewobbelt wird, solange der Takteingang des Flipflops 7 keine Impulse erhält.
  • Der Spannungsabfall V am Strommesswiderstand 24 wird in einem Allpass-Filter 8 um einen frequenzabhängigen Zeitbetrag ver­zögert. Der Spannungsabfall V und der im Allpass-Filter 8 verzögerte Spannungsabfall werden je einem Eingang eines Kom­parators 9 zugeführt, gegebenenfalls nachdem sie durch eine (nicht dargestellte) Filterung von Störsignalen befreit und durch eine (nicht dargestellte) Verstärkung in passende Signale umgewandelt worden sind.
  • Ist oder wird das dem verzögerten Spannungsabfall entspre­chende Signal um ein im Komparator vorgegebenes Mass grös­ser als das dem unverzögerten Spannungsabfall entsprechende Signal, so liefert der Komparator 9 ein Signal an den Takt­eingang des Flipflops 7, was den Flipflop 7 kippen lässt und somit das Signal am Steuereingang des Dreieckgenerators 5 ändert und die jeweilige Wobbelrichtung des Oszillators 4 umkehrt. Somit wird die Wobbelrichtung vom Wert der momenta­nen Differenz zwischen dem verzögerten Spannungsabfall und dem unverzögerten Spannungsabfall, bzw. vom Vergleich dieser Differenz mit einer Schwelle bestimmt.
  • Die vorangehend beschriebene Schaltung funktioniert wie folgt.
  • Wenn der Ultraschallschwinger 1 in einem Zustand betrieben wird, bei welchem keine oder eine ungenügend ausgeprägte Resonanzspitze 33 auftritt, u.a. wenn das Verhältnis der Ströme I beim Maximum 33 und beim Minimum 34 einem zu stark gedämpften Impedanzverhalten des Ultraschallschwingers 1 ent­spricht, so wird die Wobbelrichtung umgekehrt, wenn der Dreieckgenerator 5 eine Ausgangsspannung liefert, die der unteren Frequenzgrenze fu bzw. der oberen Frequenzgrenze fo entspricht. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn der Ultra­schallschwinger 1 zur Zerstäubung einer Flüssigkeit verwendet und dabei durch anhängende Tropfen zu stark gedämpft wird.
  • Die Wobbelfrequenz kann sinnvollerweise im Bereich der Eigen­resonanz des anhängenden Tropfens gelegt werden, um diesen abzuschleudern.
  • Zusammen bilden der Ultraschallschwinger 1, die Endstufe 2, der Strommesswiderstand 24, das Allpass-Filter 8, der Kompa­rator 9, das Flipflop 7, der Dreieckgenerator 5, der Oszilla­tor 4 und die Treiberstufe 3 einen Regelkreis, der aufgrund seiner Auslegung Regelschwingungen der Anregungsfrequenz des Ultraschallschwingers 1 um seine Serienresonanzfrequenz fr herum ausführt. Durch geeignete Wahl der Verzögerung im Allpass-Filter 8 und der Schaltschwellen im Komparator 9 erreicht man, dass nur der für ordnungsgemässes Zerstäuben typische Verlauf der Resonanzkurve als echte Resonanz erkannt wird. Diese geeignete Wahl ergibt sich aus der verwendeten Wobbelfrequenz, dem Frequenzabstand zwischen der Serienreso­nanz 33 und der Parallelresonanz 34 des Ultraschallschwin­gers, sowie aus den regelungstechnischen Eigenschaften der im Regelkreis enthaltenen Baugruppen. Die Wobbelrichtung wird umgekehrt, wenn der verzögerte Spannungsabfall um einen vor­gegebenen Betrag grösser ist als der unverzögerte Spannungs­abfall V. Dies führt dazu, dass sich die Anregungsfrequenz f des Ultraschallschwingers 1 periodisch in einem Bereich 32 um die Resonanzfrequenz herum ändert, dieser Frequenzregelkreis also mit konstanter Amplitude schwingt.
  • Entsprechend der gewählten Wobbelgeschwindigkeit ergibt sich die momentane Frequenz und Amplitude des Stromes I in Abhän­gigkeit der Dämpfung des Ultraschallschwingers im Bereich der Resonanz (vgl. Fig. 3). Dabei entspricht eine geringe Dämpf­ung einer hohen momentanen Amplitude und hohen momentanen Frequenz, wobei sich eine entsprechend grosse Differenz zwischen dem unverzögertem und dem verzögertem Spannungs­abfall ergibt. Wählt man nun die Eckfrequenz des Allpass-­Filters 8 sowie die Hysterese des Komparators 9 derart, dass dieser nur bei genügend entdämpften, also im Falle der An­ wendung zur Ultraschallzerstäubung bei nicht "abgesoffenem" Schwinger schaltet und die Wobbelrichtung umkehrt so er­reicht man ein Einrasten auf die Resonanzfrequenz fr. Ande­renfalls erhält man automatisch eine Rückmeldung, dass ein Tropfen am Ultraschallschwinger hängt, da dann die Anregungs­frequenz f die untere Frequenzgrenze fu bzw. die obere Fre­quenzgrenze fo errreicht, wodurch der Fensterkomparator 6 anspricht, wie oben beschrieben worden ist.
  • Die Schaltung lässt also die Anregungsfrequenz f des Ultra­schallschwingers einen vorgegebenen Frequenzbereich durchwob­beln, und zwar solange, bis die Resonanzerkennung einrastet, d.h. die Wobbelrichtung noch vor Erreichen der Frequenzgrenze fu bzw. fo umgekehrt wird. Danach rastet die Anregungs­frequenz f des Ultraschallschwingers auf seine Resonanzfre­quenz fr ein, sofern diese Resonanz eine genügend hohe Güte aufweist (z.B. der Ultraschallschwinger nicht durch anhängen­de Tropfen gedämpft ist). Kriterium für das Einrasten ist die Änderungsgeschwindigkeit des die Endstufe 2 durchfliessenden Stromes I, der in erster Näherung proportional zur Wirkleis­tung des Ultraschallschwingers 1 ist.
  • Die gewünschte Leistung des Ultraschallschwingers kann dabei durch Einstellung der Betriebsspannung U der Endstufe 2 ein­gestellt werden, beispielsweise mit Hilfe einer (nicht darge­stellten) einstellbaren Spannungsquelle. Soll die Wirkleis­tung des Ultraschallschwingers auch noch geregelt werden, so kann z.B. der Strom I mit der Betriebsspannung U multipli­ziert und das Resultat dieser Multiplikation mit der ge­wünschten Leistung verglichen werden.
  • Das hier beschriebene Verfahren hat u.a. den Vorteil, dass die Funktionen der Resonanzerkennung und der Leistungsrege­lung getrennt sind, d.h. die Resonanzerkennung kann über einen Dynamikbereich von mehr als 1 : 10 arbeiten. Auch arbei­tet das Verfahren stetig, es ist also nicht an externe Zeit­ abläufe gebunden und kann daher problemlos Veränderungen wie z.B. Änderungen der Betriebsdämpfung, der Leistung, der Reso­nanzfrequenz usw. folgen. Anhängende Tropfen werden schneller abgeschüttelt als bei Verwendung von bisher bekannten Verfah­ren, da nicht starr über den gesamten Frequenzbereich gewob­belt wird, sondern die Schaltung bereits ab einem bestimmten Grad der Entdämpfung, z.B. bereits bei teilweise abgeschüt­teltem Tropfen, zwischen der Frequenz mit der zum jeweiligem Zeitpunkt höchsten Wirkleistung und einer der beiden Fre­quenzgrenzen wobbelt.
  • In Analogie zur Schaltung, die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, kann die Analyse der Kennlinie 31 auch durch direkte Ableitung des Stromes I bzw. des Spannungsab­falls V nach der Frequenz f erfolgen. Dies ist wiederum gleichwertig mit einer Ableitung des Stromes I bzw. des Span­nungsabfalls V nach der Zeit, da die vom Dreieckgenerator 5 bestimmte Frequenz f linear mit der Zeit variiert. Eine sol­che Ableitung ist ja auch nur der Grenzfall der vorangehend beschriebenen Differenzbildung im Falle einer gegen Null ten­dierenden Zeitverzögerung am Allpass-Filter 8.
  • Im vorstehenden ist die Erfindung im Zusammenhang mit einem Ultraschallschwinger, insbesondere einem piezoelektrischen Ultraschallschwinger beschrieben worden, dessen Einsatz z.B. im Zerstäuben einer Flüssigkeit liegt. Die Erfindung ist je­doch ebenfalls mit Vorteil auf andere Resonanzsysteme anwend­bar, deren Resonanz in einem definierten Frequenzbereich liegt und sich in Abhängigkeit von verschiedenen Parameter und insbesondere von der üblichen Streuung der Eigenschaften von in Serie hergestellten Ultraschallschwingern und Schal­tungskomponenten ändern kann.

Claims (9)

1. Verfahren zur Anregung eines Ultraschallschwingers durch das Ausgangssignal eines spannungsgesteuerten Oszillators, wobei die Steuerspannung des Oszillators so geregelt wird, dass seine Frequenz in einem vorbestimmten, die Frequenz der Serienresonanz des Ultraschallschwingers umschliessenden Bereich periodisch gewobbelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Dämpfung des Ultraschallschwingers entspre­chende Messgrösse gebildet und mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird, der einer vorbestimmten höchstzulässigen Dämpfung entspricht, und wenn der Vergleich ergibt, dass die Dämpfung des Ultraschallschwingers kleiner ist als die höchstzulässige Dämpfung, die Steuerspannung zusätzlich in Abhängigkeit von der Messgrösse geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgrösse der Wert einer Funktion des Anregungsstroms des Ultraschallschwingers ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein momentaner Wert und ein verzögerter Wert der Messgrösse sowie eine Differenz dieser Werte gebildet werden, diese Differenz mit dem Schwellenwert verglichen wird, und wenn diese Differenz gleich dem Schwellenwert wird, die Änderungs­richtung der Steuerspannung umgekehrt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerung der Messgrösse durch ein Allpass-Filter erfolgt, dessen Kennlinie für die Verzögerung in Abhängigkeit von der Frequenz so gewählt ist, dass die Differenz nur dann gleich dem Schwellenwert werden kann, wenn die Dämpfung des Ultraschallschwingers kleiner ist als die höchstzulässige Dämpfung.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgrösse die Ableitung des Anregungsstroms nach der Frequenz ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzen des Bereiches, in dem die Frequenz des Oszilla­tors gewobbelt wird, so gewählt sind, dass unter Berücksich­tigung der Toleranzen für die Kennwerte des Ultraschall­schwingers seine Nutzresonanzfrequenzen innerhalb dieses Bereiches, seine Störresonanzen aber ausserhalb dieses Bereiches zu liegen kommen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung am Ultraschallschwinger durch Variation der Betriebspannung einer zwischen dem Oszillator und dem Ultra­schallschwinger geschalteten Endstufe geregelt wird.
8. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Zerstäu­bung einer Flüssigkeit durch einen mit einem Zerstäuberteller versehenen Ultraschallschwinger.
9. Schaltung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Regelkreis (5, 6, 7) für einen spannungsgesteuerten Oszillator (4) zur Anregung eines Ultraschallschwingers (1) über eine Treiberstufe (3) und eine Endstufe (2), und mit einem Strommesswiderstand (24), gekennzeichnet durch ein Allpass-Filter (8), dem die Spannung (V) am Strommess­widerstand (24) zugeführt wird und der eine entsprechend verzögerte Spannung liefert, einem Komparator (9), der die Spannung (V) am Strommesswiderstand (24) mit der im Allpass-­Filter (8) verzögerten Spannung vergleicht und ein Signal liefert, das dem Takteingang eines Flipflops (7) zugeführt wird, während ein am einen Ausgang des Flipflops (7) auftre­tendes Signal einem Dreieckgenerator (5) zugeführt wird, der die Frequenz (f) des spannungsgesteuerten Oszillators (4) bestimmt.
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