EP2741866B1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben eines ultraschallgeräts - Google Patents

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EP2741866B1
EP2741866B1 EP12737245.6A EP12737245A EP2741866B1 EP 2741866 B1 EP2741866 B1 EP 2741866B1 EP 12737245 A EP12737245 A EP 12737245A EP 2741866 B1 EP2741866 B1 EP 2741866B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
power
current
value
ultrasonic
reference variable
Prior art date
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Active
Application number
EP12737245.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2741866A1 (de
Inventor
Dieter Weber
Markus Weber
Thomas Dreyer
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.)
Weber Ultrasonics GmbH
Original Assignee
Weber Ultrasonics GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Weber Ultrasonics GmbH filed Critical Weber Ultrasonics GmbH
Publication of EP2741866A1 publication Critical patent/EP2741866A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2741866B1 publication Critical patent/EP2741866B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B3/00—Cleaning by methods involving the use or presence of liquid or steam
    • B08B3/04—Cleaning involving contact with liquid
    • B08B3/10—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration
    • B08B3/12—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration by sonic or ultrasonic vibrations

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1 for operating an ultrasonic device, such as an ultrasonic cleaner, with at least one ultrasonic generator and at least one ultrasonic vibrator, which ultrasonic vibrator is excited by the ultrasonic generator to vibrate, wherein an electric current flows and wherein the ultrasonic vibrator absorbs electrical power and in the form of mechanical power at least partially to a preferably liquid medium, in particular a cleaning medium releases.
  • an ultrasonic device such as an ultrasonic cleaner
  • the present invention relates to a control unit according to the preamble of claim 8 for an ultrasonic generator for operating at least one ultrasonic vibrator, wherein an electric current flows and wherein the ultrasonic vibrator receives an electric power and at least partially releases again in the form of mechanical power.
  • the present invention also relates to an ultrasound apparatus according to claim 14, comprising at least one ultrasound generator and at least one ultrasound transducer, which ultrasound transducer can be excited by the ultrasound generator to vibrate, wherein an electric current flows and wherein the ultrasound transducer receives electrical power and in the form of mechanical power at least partially to a preferably liquid medium, for example a cleaning medium releases.
  • Ultrasonic devices of the type mentioned are known to the skilled person in a variety of configurations and are often used as ultrasonic cleaning devices.
  • the ultrasonic vibrator immerses in a container with a cleaning medium, for example water or another solvent, and gives the electrical power supplied to it according to its efficiency at least partially in the form of ultrasonic vibrations to the cleaning medium, whereby objects located in the cleaning medium can be removed from contamination.
  • a cleaning medium for example water or another solvent
  • a maximum current that is, to limit an operating current supplied to the ultrasonic oscillator by the ultrasonic generator to a maximum value.
  • This maximum current refers in prior art devices to the maximum power of the ultrasonic vibrator.
  • the actual operating current is usually much lower than the predetermined maximum value (maximum current).
  • the test, the adjustment and a test continuous run of such ultrasonic cleaning devices with a certain test cleaning medium such as water done.
  • a certain test cleaning medium such as water
  • another cleaning medium such as a solvent-containing cleaning medium
  • the ultrasonic generator works in prior art devices of the type mentioned at full maximum current, but would hardly deliver power to the ultrasonic vibrator, resulting in the risk of damage to the ultrasonic vibrator.
  • the invention has the object of further developing a method, a control unit and an ultrasonic cleaning device of the type mentioned above to the effect that in the case of limited power output by the Ultrasonic transducer damage to the ultrasonic transducer is avoided if possible.
  • a power-dependent current limitation is provided in order to avoid the problems described above.
  • the active power at the ultrasonic generator or ultrasonic oscillator hardly goes back, while the life of the ultrasonic vibrator is significantly extended.
  • the (cleaning) medium changed during operation, so that the ultrasonic vibrator can deliver more power, increases automatically by the inventive double control with separate control circuits for the current and the power back to the maximum permissible current Type of dynamic reference variable for the current controller or current control circuit. This is referred to herein as a "fold-back function".
  • the power control takes place as a function of an actual value of the current with priority over the current regulation. Only when the operating current reaches the predetermined, dynamic maximum value, the current controller takes over, so that the current control takes place in the course of another development of the method according to the invention with respect to the power control.
  • a corresponding refinement of the control unit according to the invention provides that the power regulator has priority over the current regulator until a command value of the current regulator reaches a predetermined value, which value can preferably be specified variably.
  • the predetermined maximum value of the current depends on an actual value of the power and can be regularly redetermined during the operation of the ultrasound device and redefined accordingly.
  • the maximum value of the current is set as a function of the actual power, and the static control variable of the current regulator according to the prior art is converted within a corresponding development of the method according to the invention into a variable variable which is preferably proportional to the actual power.
  • control circuit for the power is signal-technically connected to the control circuit for the power, so that an actual value of the power is included in the determination of the presettable reference variable of the current controller.
  • control unit has a determination unit which is designed to determine a change in the reference variable of the current controller as a function of an actual value of the power.
  • the determination unit may be connected with a measuring element for the actual value of the power on the one hand and with the current regulator on the other hand signal technically.
  • control unit is designed to determine the change in the reference variable of the current controller in proportion to the actual value of the power.
  • the maximum value of the current to a maximum value at maximum power or to a minimum value at minimum power adjust.
  • the current maximum value of the current will be set to a value between these two extreme values during operation.
  • a value of the reference variable for the current preferably increases automatically within the scope of a corresponding refinement of the method according to the invention, and very preferably successively up to the specified maximum value at maximum power.
  • the value for the reference variable of the current during operation of the ultrasound device preferably automatically decreases with decreasing power output, most preferably successively down to said minimum value of the current at minimum power.
  • a corresponding development of the control unit according to the invention provides in this context that the determination unit is designed to increase the reference variable of the current controller in the event of a power output of the ultrasonic oscillator which increases during operation. This is preferably done automatically, most preferably successively up to a predetermined maximum value.
  • control unit is designed to reduce the command variable of the current controller in the event of a power output of the ultrasonic vibrator which decreases during operation. This is preferably done automatically, most preferably successively down to a predetermined minimum value.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an ultrasonic device according to the invention (hereinafter: ultrasonic cleaning device), which is designated in its entirety by the reference numeral 1.
  • the ultrasonic cleaning device 1 comprises an ultrasonic generator 2 in electrical or signal-operative connection with at least one ultrasonic oscillator 3.
  • the ultrasonic vibrator 3 can be excited by the ultrasonic generator 2 to vibrate, wherein an electric current flows and wherein the ultrasonic vibrator 3 receives an electric power and in shape at least partially emits mechanical power to a cleaning medium 4, which is arranged together with the ultrasonic transducer 3 in a suitable container (tank) 5.
  • the generator 2 whose electrical power supply is not shown in the present case, is in operative connection with a control unit 6, the in FIG. 1 symbolized by a dash-dotted box.
  • the control unit 6 comprises two separate control circuits 7, 8 for the separate regulation of the current supplied by the ultrasonic generator 2 to the ultrasonic oscillator 3 or the correspondingly delivered power.
  • the aforementioned control circuits are symbolized in the figure by dashed boxes and are also referred to below as power control circuit 7 and current control circuit 8.
  • the power control loop 7 includes a measuring element 7a for the actual power delivered by the ultrasonic generator 2 to the ultrasonic vibrator 3. Furthermore, the power control circuit 7 comprises an element 7b for setting a target power as a reference variable for a power controller 7c. Said power regulator 7c is connected via an addition point 7d to the power measuring element 7a and the further element 7b, wherein the inputs of the addition point 7d are added (+) or subtracted (-) according to the signs drawn.
  • the current control circuit 8 comprises a current regulator 8c which is connected via an addition point 8d to a measuring element 8a for the actual current between the ultrasonic generator 2 and the ultrasonic oscillator 3.
  • a determination unit 8b is arranged, which prescribes a power-proportional maximum current as the reference variable of the current regulator 8c.
  • the determination unit 8b is configured accordingly for calculating the power proportional maximum current and, for this purpose, continues to be signal-wise connected to the measuring element 7a of the power control loop 7, so that the power proportional maximum current can be determined taking into account the actual power determined at 7a.
  • the outputs of the two control circuits 7, 8 are linked via a further addition point 9 signal technology, and the output of the addition point 9 is connected to the ultrasonic generator 2.
  • FIG. 1 The arrowheads in FIG. 1 indicate the respective signal propagation paths, which is familiar to the person skilled in the art, so that in the present case this need not be discussed in detail.
  • the described ultrasonic cleaning device 1 operates as follows:
  • the ultrasonic generator 2 drives the ultrasonic vibrator 3, which emits corresponding power in the form of ultrasonic vibrations to the cleaning medium 4 in the container 5. If, due to external circumstances, in particular by an exchange of the cleaning medium 4 against another cleaning medium, for. As a solvent with altered properties, a power output by the ultrasonic transducer is only possible to a limited extent, without the double control solution according to the invention would run the risk that the ultrasonic generator 2 operates at a fixed maximum current as a reference variable, but can hardly deliver power to the cleaning medium 4 , which would lead to damage of the ultrasonic vibrator 3. This is prevented in the present case by the interaction of the two control circuits 7, 8.
  • the power regulator 7c or the power control circuit 7 always takes precedence over the current regulator 8c or the current control circuit 8. Only when the actual current reaches the maximum value currently set by the determination unit 8b does the current regulator 8c or the current control circuit 8 take over
  • the maximum value of the current is not a static reference variable, but a variable quantity that depends on the actual power and that is preferably proportional.
  • the measuring element 7a of the power control loop 7 determines the instantaneous actual power and provides a corresponding signal information of the determination unit 8b in the current control circuit 8.
  • the determination unit 8b determines, taking into account the actual power, the reference variable of the current controller 8c, which accordingly assumes a value between a first maximum value at maximum power and a second maximum value at minimum power. In this way it is possible to reduce the generator current as a function of the instantaneous power, which corresponds to a power-dependent current limitation. Due to this reduction of the current, the active power at the ultrasonic vibrator 3 goes back, while the life of the ultrasonic vibrator 3 increases significantly.
  • the cleaning medium 4 is changed (again) so that the ultrasonic oscillator 3 can deliver more power again itself by the proposed regulation automatically the permissible maximum current and correspondingly the efficiency of the ultrasonic cleaning device.
  • FIG. 2 shows the dependence of the power consumption of the ultrasound device 1 according to FIG. 1 depending on the operating current.
  • the power in FIG. 2 is designated by reference symbol P and the operating current by reference symbol I.
  • I max denotes a predetermined maximum current at which the ultrasound device 1 operates optimally, correctly and without the risk of damage.
  • I crit denotes a critical current value, from which damage to the ultrasound device can be expected.
  • Pnenn denotes the rated power of the ultrasound device, which is achieved in normal normal operation and in particular at a flow of said maximum operating current I max .
  • Points 1 to 4 in FIG. 2 symbolize certain operating states of the ultrasound device 1 according to FIG. 1
  • the points 1 and 2 designate "normal" operating states of the ultrasound device, which are characterized in that the operating current I below the maximum value I max and the absorbed power P is correspondingly below or just at the rated power P nom .
  • the ultrasonic apparatus reached after its switching to a power-up or increase of the operating current I first the operating state 1, and then the operating state 2, where it is used in the latter with the maximum operating current Imax at its nominal power P nom.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zum Betreiben eines Ultraschallgeräts, beispielsweise eines Ultraschallreinigungsgeräts, mit mindestens einem Ultraschallgenerator und mindestens einem Ultraschallschwinger, welcher Ultraschallschwinger von dem Ultraschallgenerator zum Schwingen angeregt wird, wobei ein elektrischer Strom fließt und wobei der Ultraschallschwinger eine elektrische Leistung aufnimmt und in Form mechanischer Leistung zumindest teilweise an ein vorzugsweise flüssiges Medium, insbesondere ein Reinigungsmedium, abgibt.
  • Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Regeleinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 für einen Ultraschallgenerator zum Betreiben mindestens eines Ultraschallschwingers, wobei ein elektrischer Strom fließt und wobei der Ultraschallschwinger eine elektrische Leistung aufnimmt und in Form mechanischer Leistung zumindest teilweise wieder abgibt.
  • Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Ultraschallgerät gemäß dem Anspruch 14 mit mindestens einem Ultraschallgenerator und mindestens einem Ultraschallschwinger, welcher Ultraschallschwinger von dem Ultraschallgenerator zum Schwingen anregbar ist, wobei ein elektrischer Strom fließt und wobei der Ultraschallschwinger eine elektrische Leistung aufnimmt und in Form mechanischer Leistung zumindest teilweise an ein vorzugsweise flüssiges Medium, beispielsweise ein Reinigungsmedium, abgibt.
  • Ultraschallgeräte der genannten Art sind dem Fachmann in vielfältigen Ausgestaltungen bekannt und werden oft als Ultraschallreinigungsgeräte eingesetzt. In der Regel taucht dabei der Ultraschallschwinger in einem Behältnis mit einem Reinigungsmedium, beispielsweise Wasser oder einem anderen Lösemittel, ein und gibt die ihm zugeführte elektrische Leistung gemäß seinem Wirkungsgrad zumindest teilweise in Form von Ultraschallschwingungen an das Reinigungsmedium ab, wodurch in dem Reinigungsmedium befindliche Gegenstände von Verschmutzungen befreit werden können.
  • Bei vielen Ultraschallschwingern ist es in diesem Zusammenhang notwendig, einen Maximalstrom vorzugeben, das heißt einen dem Ultraschallschwinger von dem Ultraschallgenerator zugeführten Betriebsstrom auf einen Maximalwert zu begrenzen. Dieser Maximalstrom bezieht sich bei vorbekannten Geräten auf die maximale Leistung des Ultraschallschwingers. Der tatsächliche Betriebsstrom ist in der Regel deutlich niedriger als der vorgegebene Maximalwert (Maximalstrom).
  • Durch gewisse äußere Umstände, wie beispielsweise die materielle Beschaffenheit des Reinigungsmediums, wozu auch der Einfluß von Temperatur, Druck oder Füllstand zu rechnen ist, kann es vorkommen, dass der Betriebsstrom bei gleicher Leistung ansteigt. Wenn nun der Strom den eingestellten Maximalwert erreicht, wird er entsprechend begrenzt, und es ist möglich, dass der Ultraschallgenerator eine eingestellte bzw. vom Benutzer des Ultraschallreinigungsgeräts ausgewählte erforderliche Leistung nicht (mehr) erreicht.
  • In der Regel erfolgen die Prüfung, der Abgleich und ein Test-Dauerlauf derartiger Ultraschallreinigungsgeräte mit einem bestimmten Test-Reinigungsmedium, beispielsweise Wasser. Wenn nun beispielsweise im Rahmen der praktischen Verwendung des Ultraschallreinigungsgeräts ein anderes Reinigungsmedium zum Einsatz kommt, insbesondere ein lösemittelhaltiges Reinigungsmedium, kann es aus physikalisch-chemischen Gründen vorkommen, dass seitens des Ultraschallschwingers kaum noch eine Leistungsabgabe an das Reinigungsmedium möglich ist. In einem solchen Fall arbeitet der Ultraschallgenerator bei vorbekannten Geräten der genannten Art bei vollem Maximalstrom, würde jedoch kaum Leistung an den Ultraschallschwinger abgeben, wodurch sich die Gefahr einer Beschädigung des Ultraschallschwingers ergibt.
  • Eine bekannte Regelung für ein Ultraschallreinigungsgerät ist in den Patentdokumenten DE 42 33 016 und EP 1 495 727 beschrieben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren, eine Regeleinheit und ein Ultraschallreinigungsgerät der jeweils oben genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass im Falle eingeschränkter Leistungsabgabe durch den Ultraschallschwinger eine Beschädigung des Ultraschallschwingers nach Möglichkeit vermieden wird.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und bei einer Regeleinheit der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 8 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen, deren Wortlaut hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird, um Textwiederholungen nach Möglichkeit zu vermeiden.
  • Erfindungsgemäß ist also eine leistungsabhängige Strombegrenzung vorgesehen, um die weiter oben geschilderte Problematik zu vermeiden. Dabei geht trotz leistungsabhängiger Verminderung des Stroms die Wirkleistung am Ultraschallgenerator bzw. Ultraschallschwinger kaum zurück, während sich die Lebensdauer des Ultraschallschwingers deutlich verlängert. Wird nun bei Verwendung der vorliegenden Erfindung während des Betriebs das (Reinigungs-)Medium gewechselt, so dass der Ultraschallschwinger wieder mehr Leistung abgeben kann, erhöht sich durch die erfindungsgemäße doppelte Regelung mit getrennten Regelkreisen für den Strom und die Leistung automatisch wieder der zulässige Maximalstrom nach Art einer dynamischen Führungsgröße für den Stromregler bzw. Stromregelkreis. Dies wird vorliegend auch als "Fold-Back-Funktion" bezeichnet.
  • Im Zuge einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Leistungsregelung in Abhängigkeit von einem Ist-Wert des Stroms vorrangig gegenüber der Stromregelung erfolgt. Erst wenn der Betriebsstrom den vorgegebenen, dynamischen Maximalwert erreicht, übernimmt der Stromregler, so dass die Stromregelung im Zuge einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorrangig gegenüber der Leistungsregelung erfolgt.
  • Eine entsprechende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Regeleinheit sieht vor, dass der Leistungsregler gegenüber dem Stromregler Vorrang hat, bis eine Führungsgröße des Stromreglers einen vorgegebenen Wert erreicht, welcher Wert vorzugsweise variabel vorgebbar ist.
  • Dabei hängt im Rahmen einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens der vorgegebene Maximalwert des Stroms von einem Ist-Wert der Leistung ab und kann dabei während des Betriebs des Ultraschallgeräts regelmäßig neu ermittelt und entsprechend neu vorgegeben werden. Dadurch wird der Maximalwert des Stromes in Abhängigkeit der Ist-Leistung gestellt, und die nach dem Stand der Technik statische Führungsgröße des Stromreglers wird im Rahmen einer entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens in eine variable, der Ist-Leistung vorzugsweise proportionale Größe umgewandelt.
  • Eine entsprechende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Regeleinheit sieht vor, dass der Regelkreis für den Strom mit dem Regelkreis für die Leistung signaltechnisch verbunden ist, so dass ein Ist-Wert der Leistung in die Bestimmung der vorzugebenden Führungsgröße des Stromreglers eingeht.
  • Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Regeleinheit sieht vor, dass diese eine Bestimmungseinheit aufweist, die zum Bestimmen einer Änderung der Führungsgröße des Stromreglers in Abhängigkeit von einem Ist-Wert der Leistung ausgebildet ist. Zu diesem Zweck kann die Bestimmungseinheit mit einem Messglied für den Ist-Wert der Leistung einerseits und mit dem Stromregler andererseits signaltechnisch verbunden sein.
  • Eine wieder andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Regeleinheit sieht vor, dass die Bestimmungseinheit dazu ausgebildet ist, die Änderung der Führungsgröße des Stromreglers proportional zum Ist-Wert der Leistung zu bestimmen.
  • Auf diese Weise ist es bei entsprechender Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, den Maximalwert des Stroms auf einen maximalen Wert bei maximaler Leistung bzw. auf einen minimalen Wert bei minimaler Leistung einzustellen. Der momentane Maximalwert des Stroms wird sich im Betrieb auf einen Wert zwischen diesen beiden Extremwerten einstellen.
  • Wenn nun im Betrieb des Ultraschallgeräts die Leistungsabgabe des Ultraschallschwingers zunimmt, erhöht sich im Rahmen einer entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Wert der Führungsgröße für den Strom vorzugsweise automatisch, und zwar höchst vorzugsweise sukzessive bis auf den genannten Maximalwert bei maximaler Leistung.
  • Umgekehrt ist es durch Anwendung einer entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, dass sich der Wert für die Führungsgröße des Stroms im Betrieb des Ultraschallgeräts bei abnehmender Leistungsabgabe vorzugsweise automatisch verringert, und zwar höchst vorzugsweise sukzessive bis auf den genannten Minimalwert des Stroms bei minimaler Leistung.
  • Die genannten Extremwerte können dabei jeweils fest vorgegeben sein.
  • Eine entsprechende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Regeleinheit sieht in diesem Zusammenhang vor, dass die Bestimmungseinheit dazu ausgebildet ist, im Falle einer im Betrieb sich erhöhenden Leistungsabgabe des Ultraschallschwingers die Führungsgröße des Stromreglers zu erhöhen. Dies geschieht vorzugsweise automatisch, und zwar höchst vorzugsweise sukzessive bis auf einen vorgegebenen Maximalwert.
  • Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Regeleinheit sieht vor, dass die Bestimmungseinheit dazu ausgebildet ist, im Falle einer im Betrieb sich verringernden Leistungsabgabe des Ultraschallschwingers die Führungsgröße des Stromreglers zu erniedrigen. Dies geschieht vorzugsweise automatisch, und zwar höchst vorzugsweise sukzessive bis auf einen vorgegebenen Minimalwert.
  • Nachfolgend werden bestimmte Ausgestaltungen der Erfindung anhand analoger Schaltungen näher beschrieben. Es liegt hier für den Fachmann unmittelbar auf der Hand, dass sich die beschriebenen Funktionalitäten auch mit Hilfe digitaler Schaltungsanordnungen realisieren lassen. Hierzu werden die vorhandenen analogen Signale, insbesondere analoge Stromstärke- und Spannungssignale, mittels geeigneter Analog-Digital-Wandler (ADC) in entsprechende digitale Signale gewandelt, welche anschließend in geeigneter Weise digital weiterverarbeitet werden können, beispielsweise mittels eines Mikroprozessors, eines Mikro-controllers oder eines digitalen Signalprozessors (DSP), wodurch sich dieselben Funktionalitäten erreichen lassen, wie nachfolgend beschrieben. Selbstverständlich liegen derartige Ausgestaltungen ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die angehängten Patentansprüche definiert ist.
  • Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
    • Figur 1
    zeigt ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallgeräts in Form eines Ultraschallreinigungsgeräts mit einer erfindungsgemäßen Regelungseinheit, welches sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet; und
    Figur 2
    zeigt graphisch die Abhängigkeit der Leistung des Ultraschallgeräts gemäß Figur 1 in Abhängigkeit vom Betriebsstrom in Form einer Fold-Back-Kennlinie.
  • Die Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ultraschallgeräts (nachfolgend: Ultraschallreinigungsgerät), welches in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist.
  • Das Ultraschallreinigungsgerät 1 umfasst einen Ultraschallgenerator 2 in elektrischer bzw. signaltechnischer Wirkverbindung mit wenigstens einem Ultraschall-schwinger 3. Der Ultraschallschwinger 3 ist mittels des Ultraschallgenerators 2 zum Schwingen anregbar, wobei ein elektrischer Strom fließt und wobei der Ultraschallschwinger 3 eine elektrische Leistung aufnimmt und in Form mechanischer Leistung zumindest teilweise an ein Reinigungsmedium 4 abgibt, welches zusammen mit dem Ultraschallschwinger 3 in einem geeigneten Behältnis (Tank) 5 angeordnet ist.
  • Der Generator 2, dessen elektrische Energieversorgung vorliegend nicht dargestellt ist, steht in signaltechnischer Wirkverbindung mit einer Regeleinheit 6, die in Figur 1 mittels einer strichpunktierten Box symbolisiert ist. Die Regeleinheit 6 umfasst zwei separate Regelkreise 7, 8 zur getrennten Regelung des vom Ultraschallgenerator 2 an den Ultraschallschwinger 3 gelieferten Stroms bzw. der entsprechend gelieferten Leistung. Die genannten Regelkreise sind in der Figur jeweils durch gestrichelte Boxen symbolisiert und werden nachfolgend auch als Leistungsregelkreis 7 und Stromregelkreis 8 bezeichnet.
  • Der Leistungsregelkreis 7 beinhaltet ein Messglied 7a für die vom Ultraschallgenerator 2 an den Ultraschallschwinger 3 gelieferte Ist-Leistung. Weiterhin umfasst der Leistungsregelkreis 7 ein Element 7b zum Vorgeben einer Soll-Leistung als Führungsgröße für einen Leistungsregler 7c. Der genannte Leistungsregler 7c ist über eine Additionsstelle 7d signaltechnisch mit dem Leistungsmessglied 7a und dem weiteren Element 7b verbunden, wobei die Eingänge der Additionsstelle 7d entsprechend den eingezeichneten Vorzeichen addiert (+) oder subtrahiert (-) werden.
  • Entsprechend umfasst der Stromregelkreis 8 einen Stromregler 8c, welcher über eine Additionsstelle 8d mit einem Messglied 8a für den Ist-Strom zwischen Ultraschallgenerator 2 und Ultraschallschwinger 3 verbunden ist. Am anderen Eingang der Additionsstelle 8d ist eine Bestimmungseinheit 8b angeordnet, welche als Führungsgröße des Stromreglers 8c einen leistungsproportionalen Maximalstrom vorgibt. Die Bestimmungseinheit 8b ist entsprechend zur Berechnung des leistungsproportionalen Maximalstroms ausgebildet und zu diesem Zweck weiterhin signaltechnisch mit dem Messglied 7a des Leistungsregelkreises 7 verbunden, so dass die Bestimmung des leistungsproportionalen Maximalstroms unter Berücksichtigung der bei 7a bestimmten Ist-Leistung erfolgt bzw. erfolgen kann.
  • Die Ausgänge der beiden Regelkreise 7, 8 sind über eine weitere Additionsstelle 9 signaltechnisch verknüpft, und der Ausgang der Additionsstelle 9 ist mit dem Ultraschallgenerator 2 verbunden.
  • Die Pfeilspitzen in Figur 1 geben die jeweiligen Signallaufwege an, was dem Fachmann geläufig ist, so dass vorliegend hierauf nicht vertiefend eingegangen werden muss.
  • Im Betrieb arbeitet das beschriebene Ultraschallreinigungsgerät 1 wie folgt:
  • Der Ultraschallgenerator 2 treibt den Ultraschallschwinger 3, welcher entsprechend Leistung in Form von Ultraschallschwingungen an das Reinigungsmedium 4 im Behältnis 5 abgibt. Wenn nun aufgrund äußerer Umstände, insbesondere durch einen Austausch des Reinigungsmediums 4 gegen ein anderes Reinigungsmedium, z. B. ein Lösemittel mit veränderten Eigenschaften, eine Leistungsabgabe durch den Ultraschallschwinger nur noch eingeschränkt möglich ist, bestünde ohne die erfindungsgemäße doppelte Regelungslösung die Gefahr, dass der Ultraschallgenerator 2 bei einem fest vorgegebenen Maximalstrom als Führungsgröße arbeitet, jedoch kaum Leistung an das Reinigungsmedium 4 abgeben kann, was zu einer Beschädigung des Ultraschallschwingers 3 führen würde. Dies wird vorliegend durch das Zusammenwirken der beiden Regelkreise 7, 8 verhindert.
  • Dabei besitzt der Leistungsregler 7c bzw. der Leistungsregelkreis 7 grundsätzlich Vorrang gegenüber dem Stromregler 8c bzw. dem Stromregelkreis 8. Erst wenn der Ist-Strom den durch die Bestimmungseinheit 8b aktuell vorgegebenen Maximalwert erreicht, übernimmt der Stromregler 8c bzw. der Stromregelkreis 8. Allerdings handelt es sich bei dem Maximalwert des Stromes erfindungsgemäß nicht um eine statische Führungsgröße, sondern um eine variable, von der Ist-Leistung abhängige und dieser vorzugsweise proportionale Größe. Zu diesem Zweck bestimmt das Messglied 7a des Leistungsregelkreises 7 die momentane Ist-Leistung und stellt eine entsprechende Signalinformation der Bestimmungseinheit 8b im Stromregelkreis 8 zur Verfügung. Die Bestimmungseinheit 8b bestimmt dann unter Berücksichtigung der Ist-Leistung die Führungsgröße des Stromreglers 8c, welche entsprechend einen Wert zwischen einen ersten Maximalwert bei maximaler Leistung und einen zweiten Maximalwert bei minimaler Leistung annimmt. Auf diese Weise ist es möglich, den Generatorstrom in Abhängigkeit von der momentanen Leistung zu reduzieren, was einer leistungsabhängigen Strombegrenzung entspricht. Aufgrund dieser Verminderung des Stroms geht die Wirkleistung am Ultraschallschwinger 3 zurück, während sich allerdings die Lebensdauer des Ultraschallschwingers 3 deutlich erhöht.
  • Wird nun während des Betriebs das Reinigungsmedium 4 (erneut) gewechselt, so dass der Ultraschallschwinger 3 wieder mehr Leistung abgeben kann, erhöht sich durch die vorgesehene Regelung automatisch wieder der zulässige Maximalstrom und entsprechend die Effizienz des Ultraschallreinigungsgeräts 1.
  • Figur 2 zeigt die Abhängigkeit der Leistungsaufnahme des Ultraschallgeräts 1 gemäß Figur 1 in Abhängigkeit vom Betriebsstrom. Dabei ist die Leistung in Figur 2 mit Bezugszeichen P und der Betriebsstrom mit Bezugszeichen I bezeichnet. Imax bezeichnet einen vorgegebenen Maximalstrom, bei welchem das Ultraschallgerät 1 optimal, ordnungsgemäß und ohne die Gefahr von Beschädigungen arbeitet. Ikrit bezeichnet einen kritischen Stromwert, ab welchem Beschädigungen des Ultraschallgeräts zu erwarten sind. Pnenn bezeichnet die Nennleistung des Ultraschallgeräts, welche bei ordnungsgemäßem Normalbetrieb und insbesondere bei einem Fließen des genannten maximalen Betriebsstroms Imax erreicht wird.
  • Die Punkte 1 bis 4 in Figur 2 symbolisieren bestimmte Betriebszustände des Ultraschallgeräts 1 gemäß Figur 1. Dabei bezeichnen die Punkte 1 und 2 "normale" Betriebszustände des Ultraschallgeräts, die sich dadurch auszeichnen, dass der Betriebsstrom I unterhalb des Maximalwerts Imax und die aufgenommene Leistung P entsprechend unterhalb oder gerade bei der Nennleistung Pnenn liegt. Beispielsweise erreicht das Ultraschallgerät nach seinem Einschalten bei einem Hochfahren oder Ansteigen des Betriebsstroms I zunächst den Betriebszustand 1 und anschließend den Betriebszustand 2, wobei es in letzterem mit maximalem Betriebsstrom Imax bei seiner Nennleistung Pnenn betrieben wird.
  • Kommt es nun beispielsweise aufgrund von Veränderungen der Beschaffenheit des (Reinigungs-)Mediums (vgl. Bezugszeichen 4 in Figur 1) zu einer Erhöhung des Betriebsstroms I bei gleich bleibender Leistungsaufnahme P (Betriebszustand 3 in Figur 2), so steuert ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Ultraschallgerät gegen, bevor der Strom seinen kritischen Wert Ikrit erreicht. Dies geschieht im Rahmen der vorliegenden Erfindung über die ausführlich beschriebene leistungsabhängige Strombegrenzung, wodurch in der graphischen Darstellung gemäß Figur 2 der Betriebszustand 4 mit speziell bis auf den Wert Imax reduziertem Stromfluss bei entsprechend verringerter Leistungsaufnahme erreicht wird, um das Ultraschallgerät vor einer Beschädigung zu schützen. Aufgrund des dargestellten Verlauf der P-I-Kennlinie in Figur 2 zwischen den Punkten 2 und 4 wird dargestellte Kennlinienverlauf vorliegend auch als "Fold-Back-Kennlinie" bezeichnet.
  • Wie bereits angemerkt wurde, lassen sich die vorstehend anhand von analogen Schaltungen beschriebenen Funktionalitäten im Zuge alternativer Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung auch zumindest teilweise digital implementieren, beispielsweise unter Verwendung eines DSP.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallgeräts (1) mit mindestens einem Ultraschallgenerator (2) und mindestens einem Ultraschallschwinger (3), welcher Ultraschallschwinger (3) von dem Ultraschallgenerator (2) zum Schwingen angeregt wird, wobei ein elektrischer Strom fließt, und wobei der Ultraschallschwinger (3) eine elektrische Leistung aufnimmt und in Form mechanischer Leistung zumindest teilweise an ein vorzugsweise flüssiges Medium (4) abgibt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in dem Ultraschallgenerator (2) der Strom und die Leistung mittels wenigstens zweier separater Regelkreise (7, 8) getrennt geregelt werden, wobei einer Bestimmungseinheit (8b) des Stromregelkreises (8) eine Signalinformation bezüglich der Ist-Leistung zugeführt wird, so dass eine leistungsabhängige Strombegrenzung erfolgt, bei der bei im Betrieb des Ultraschallgeräts (1) abnehmender Leistungsabgabe des Ultraschallschwingers (3) ein Wert der Führungsgröße für den Strom von einem vorgegebenen Maximalwert bis auf einen vorgegebenen Minimalwert verringert wird, vorzugsweise automatisch, höchst vorzugsweise sukzessive.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsregelung in Abhängigkeit von einem Ist-Wert des Stroms vorrangig gegenüber der Stromregelung erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromregelung vorrangig gegenüber der Leistungsregelung erfolgt, wenn der Ist-Wert des Stroms einen vorgegebenen Maximalwert erreicht.
  4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgegebener Maximalwert des Stroms von einem Ist-Wert der Leistung abhängt und vorzugsweise während des Betriebs des Ultraschallgeräts (1) regelmäßig neu ermittelt und entsprechend neu vorgegeben wird.
  5. Verfahren nach mindestens einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Führungsgröße für die Stromregelung eine variable, von einem Ist-Wert der Leistung abhängige Führungsgröße verwendet wird, vorzugsweise eine dem Ist-Wert der Leistung proportionale Führungsgröße.
  6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsgröße für den Strom zwischen einem ersten Maximalwert bei maximaler Leistung und einem zweiten Maximalwert bei minimaler Leistung gewählt wird und dabei vorzugsweise variabel ist.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei im Betrieb des Ultraschallgeräts (1) zunehmender Leistungsabgabe des Ultraschallschwingers (3) ein Wert der Führungsgröße für den Strom erhöht wird, vorzugsweise automatisch, höchst vorzugsweise sukzessive bis auf den vorgegebenen Maximalwert.
  8. Regeleinheit (6) für einen Ultraschallgenerator (2) zum Betreiben mindestens eines Ultraschallschwingers (3), wobei ein elektrischer Strom fließt und wobei der Ultraschallschwinger (3) eine elektrische Leistung aufnimmt und in Form mechanischer Leistung zumindest teilweise wieder abgibt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der Regeleinheit (6) zur getrennten Regelung des Stroms und der Leistung wenigstens zwei separate Regelkreise (7, 8) vorgesehen sind, welche dazu ausgebildet sind, eine leistungsabhängige Strombegrenzung nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 - 7 vorzunehmen, wobei der Regelkreis (8) für den Strom einen Stromregler (8c) und eine Bestimmungseinheit (8b) umfasst und wobei der Regelkreis (7) für die Leistung einen Leistungsregler (7c) umfasst, und wobei die Regeleinheit dazu ausgebildet ist, der Bestimmungseinheit (8b) eine Signalinformation bezüglich der Ist-Leistung zuzuführen und im Falle einer im Betrieb sich verringernden Leistungsabgabe des Ultraschallschwingers (3) die Führungsgröße des Stromreglers (8c) von einem vorgegebenen Maximalwert bis auf einen vorgegebenen Minimalwert zu erniedrigen, vorzugsweise sukzessive.
  9. Regeleinheit (6) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsregler (7c) gegenüber dem Stromregler (8c) Vorrang hat, bis eine Führungsgröße des Stromreglers (8c) einen vorgegebenen Wert erreicht, welcher Wert vorzugsweise variabel vorgebbar ist.
  10. Regeleinheit (6) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (8) für den Strom mit dem Regelkreis (7) für die Leistung signaltechnisch verbunden ist, so dass ein Ist-Wert der Leistung in die Bestimmung der vorzugebenden Führungsgröße des Stromreglers (8c) eingeht.
  11. Regeleinheit (6) nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet dadurch, dass die Bestimmungseinheit (8b) zum Bestimmen einer Änderung der Führungsgröße des Stromreglers (8c) in Abhängigkeit von einem Ist-Wert der Leistung ausgebildet ist und zu diesem Zweck vorzugsweise mit einem Messglied (7a) für den Ist-Wert der Leistung einerseits und mit dem Stromregler (8c) andererseits signaltechnisch verbunden ist.
  12. Regeleinheit (6) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungseinheit (8b) dazu ausgebildet ist, die Änderung der Führungsgröße des Stromreglers (8c) proportional zum Ist-Wert der Leistung zu bestimmen.
  13. Regeleinheit (6) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungseinheit (8b) dazu ausgebildet ist, im Falle einer im Betrieb sich erhöhenden Leistungsabgabe des Ultraschallschwingers (3) die Führungsgröße des Stromreglers (8c) zu erhöhen, vorzugsweise automatisch, höchst vorzugsweise sukzessive bis auf den vorgegebenen Maximalwert.
  14. Ultraschallgerät (1) mit mindestens einem Ultraschallgenerator (2) und mindestens einem Ultraschallschwinger (3), welcher Ultraschallschwinger (3) von dem Ultraschallgenerator (2) zum Schwingen anregbar ist, wobei ein elektrischer Strom fließt und wobei der Ultraschallschwinger (3) eine elektrische Leistung aufnimmt und in Form mechanischer Leistung zumindest teilweise an ein vorzugsweise flüssiges Medium (4) abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ultraschallgenerator (2) oder in Wirkverbindung mit dem Ultraschallgenerator (2) eine Regeleinheit (6) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13 vorgesehen ist.
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