PL157613B1

PL157613B1 - An ultrasonic generator system with automatic frequency tuning

Info

Publication number: PL157613B1
Application number: PL27687388A
Authority: PL
Inventors: Pawel Fabijanski; Leszek Palczynski; Andrzej Szadkowski; Jan Bisikiewicz
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 1988-12-30
Filing date: 1988-12-30
Publication date: 1992-06-30
Also published as: PL276873A1

Abstract

1. The invention concerns a ultrasonic generator system with automatic frequency tuning consisting of an control input and a supply input, on whose output an ultrasonic converter is placed, characterised in that it has a control block of voltage tuned generator (BSGPN), whose output is connected to the first input of voltage tuned generator (GPN), to whose second input is supplied minimal frequency signal (fmin), whereas to the third input is supplied maximum frequency signal (fmax), and the first output of the voltage tuned generator (GPN) is connected to an impulse forming block (BFI), and the second output of the generator (GPN) is connected to the input of control block of voltage tuned generator (BSGPN), while the output of the impulse forming block (BFI) is connected to a control input (S1,...,Sn) of the ultrasonic generator (G).<IMAGE>

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ generatora ultradźwiękowego z automatycznym strojeniem częstotliwości, stosowany zwłaszcza w urządzeniach do mycia technologicznego.The subject of the invention is an ultrasonic generator system with automatic frequency tuning, used in particular in technological washing devices.

Znane generatory ultradźwiękowe produkowane przez firmy KLN, Schodler, Roli z Republiki Federalnej Niemiec oraz firm brytyjskich Kerry’s, Ultrasonics, Dawe, Boutan, Censor i Radyne Ltd, jak również amerykańskiej Branson, są małej mocy i pracują w układzie otwartym.Known ultrasonic generators manufactured by KLN, Schodler, Roli from the Federal Republic of Germany and British companies Kerry's, Ultrasonics, Dawe, Boutan, Censor and Radyne Ltd, as well as the American Branson, are low power and work in an open system.

W czasie pracy technologicznych urządzeń ultradźwiękowych parametry mechaniczne przetworników piezoceramicznych generatorów ultradźwiękowych ulegają zmianie. Powoduje to rozstrojenie układu generatora i wymaga korekcji częstotliwości drgań generatora tak, aby pracował on z częstotliwością rezonansową zasilanych przetworników. Odstrojenie generatora od częstotliwości rezonansowej powoduje zmniejszenie współczynnika sprawności energetycznej układu, zmniejszenie efektywności mycia, a w granicznym przypadku zerwanie drgań lub uszkodzenie generatora rDuring the operation of technological ultrasonic devices, the mechanical parameters of piezoceramic transducers of ultrasonic generators change. This causes the generator system to get out of tune and requires the generator vibration frequency to be adjusted so that it operates at the resonant frequency of the supplied transducers. The generator's detuning from the resonant frequency results in a reduction of the system's energy efficiency coefficient, reduction of washing efficiency, and in the extreme case, vibration breakage or generator damage r

157 613157 613

157 613 n układach dużej mocy stosowane są sprężenia zwrotne pojemnościowe, indukcyjne, piezoelektryczne, magnetostrykcyjne lub z transformatorem różnicowym.157 613 n high-power systems, capacitive, inductive, piezoelectric, magnetostrictive or differential transformer feedback is used.

Układ sprzężenia pojemnościowego stanowi kondensator płaski, którego jedna płytka jest o powierzchni drgającej przetwornika, zaś druga jest nieruchomą płytką metalową zamocowaną trwale w urządzeniu. 'Współczynnik sprzężenia zależy od amplitudy drgań powierzchni przetwornika i stosunek pojemności dynamicznej do statycznej. Układ sprzężenia indukcyjnego zbudowany jest na rdzeniu typu U magnesu stałego, na którym nawinięta jest cewka. Biegun magnesu umieszczony jest w małej odległości od powierzchni drgającej przetwornika stanowiącego zworę. Zwora poprzez rdzeń i szczeliny powietrzne zamyka drogę strumienia magnetycznego. Drgająca powierzchnia przetwornika wzbudza w cewce czujnika s.em. proporcjonalną do amplitudy drgań.The capacitive coupling system is a flat capacitor, one plate of which has the vibrating surface of the transducer, and the other plate is a fixed metal plate permanently fixed in the device. 'The coupling factor depends on the vibration amplitude of the transducer surface and the ratio of dynamic to static capacitance. The inductive coupling system is built on a U-type core of a permanent magnet around which the coil is wound. The pole of the magnet is placed at a short distance from the vibrating surface of the transducer, which is the armature. The armature through the core and air gaps closes the path of the magnetic flux. The vibrating surface of the transducer excites the s.em in the sensor coil. proportional to the vibration amplitude.

W sprzężeniu piezoelektrycznym płytka piezoceramiczna umieszczona na jednej z powierzchni promieniujących jest generatorem drgań elektrycznych. Jeżeli częstotliwość rezonansowa znacznie różni się od częstotliwości rezonansowej przetwornika, amplituda drgań elektrycznych jest proporcjonalna do amplitudy drgań mechanicznych.In piezoelectric coupling, a piezoceramic plate placed on one of the radiating surfaces is a generator of electric vibrations. If the resonant frequency is significantly different from the resonant frequency of the transducer, the amplitude of the electrical vibration is proportional to the amplitude of the mechanical vibration.

W ukłdzie sprzężenia magnetostrykcyjnego, w uzwojeniu nawiniętym na elemencie o właściwościach magnetostrykcyjnych indukowana jest s.em., zależna od amplitudy drgań przetwornika.In the magnetostrictive coupling system, the EM is induced in the winding wound on the element with magnetostrictive properties, depending on the vibration amplitude of the transducer.

W sprzężeniu z transformatorem różnicowym, równoważona jest składowa statyczna prądu przetwornika i wzmacniana składowa dynamiczna. Składowa ta jest proporcjonalna do energii oddawanej do urządzenia technologicznego. Sprzężenie takie działa poprawnie jeśli w sygnale wyjściowym jest wyeliminowana trudna do ustalenia zmieniająca się w czasie składowa stała.In coupling with a differential transformer, the static component of the converter current is balanced and the dynamic component is amplified. This component is proportional to the energy transferred to the technological device. Such a coupling works properly if the DC component, which is difficult to determine and which changes in time, is eliminated in the output signal.

Wadą takicn sprzężeń jest występowanie elementów mechanicznych oraz niejednoznaczność sygnałów pomiarowych przed i za rezonansem. W sprzężeniu z transformatorem różnicowym występuje niedokładne określenie parametrów pojemnościowych, kompensujących składową stałą.The disadvantage of such couplings is the presence of mechanical elements and the ambiguity of the measurement signals before and after the resonance. In coupling with a differential transformer, there is an inaccurate definition of capacitive parameters that compensate for the constant component.

Układ według wynalazku wyróżnia się tym, że posiada blok sterowania generatora przestrajanego napięciowo, którego wyjście jest połączone z pierwszym wejściem generatora przestrajanego napięciowo, na drugie wejście którego jest podawany sygnał częstotliwości minimalnej, zaś na trzecie wejście jest podawany sygnał częstotliwości maksymalnej. Pierwsze wyjście generatora przestrajanego napięciowo jest połączone napięciowo jest połączone z blokiem formowania impulsów, a drugie wyjście tego generatora jest połączone z wejściem bloku sterowania generatora przestrajanego napięciowo. Wyjście bloku formowania impulsów jest połączone z wejściem sterującym generatora ultradźwiękowego.The system according to the invention is distinguished by the fact that it has a control unit of a voltage tunable generator whose output is connected to the first input of the voltage tunable generator, the second input of which is fed with a minimum frequency signal and the third input of which is fed with a maximum frequency signal. The first output of the voltage tunable generator is voltage coupled to a pulse shaping unit and the second output of the generator is coupled to an input of a control block of the voltage tunable generator. The output of the pulse forming block is connected to the control input of the ultrasonic generator.

Inny układ według wynalazku wyróżnia się tym, że posiada blok pomiaru wielkości elektrycznych, połączony z wejściem bloku śledzenia wartości ekstremalnej, wyjście którego jest połączone poprzez blok sterowania generatora przestrajanego napięciowo z pierwszym wejściem generatora przestrajanego napięciowo, na którego drugie wejście jest podawany sygnał częstotliwości minimalnej, zaś na trzecie wejście jest podawany sygnał częstotliwości maksymalnej. Wyjście generatora przestrajanego napięciowo jest połączone z blokiem formowania impulsów, którego wyjście jest połączone z wejściem sterującym generatora ultradźwiękowego.Another arrangement according to the invention is distinguished by the fact that it has an electric quantity measurement block connected to the input of the extreme value tracking block, the output of which is connected via the control unit of the voltage tunable generator to the first input of the voltage tunable generator, the second input of which is supplied with a minimum frequency signal. and the third input is fed with the maximum frequency signal. The output of the voltage tunable generator is connected to a pulse shaping unit whose output is connected to the control input of the ultrasonic generator.

Korzystne jest jeśli w innym układzie, blok pomiaru wielkości elektrycznych stanowi blok pomiaru prądu lub blok pomiaru napięcia albo blok pomiaru mocy włączone w obwód przetwornika ultradźwiękowego, albo blok pomiaru prądu włączony do wejścia zasilającego generatora ultradźwiękowego .Preferably, in another arrangement, the electrical quantity measuring block is a current measuring block or a voltage measuring block, or a power measuring block connected to an ultrasonic transducer circuit, or a current measuring block connected to the power input of the ultrasonic generator.

Zgodnie z wynalazkami, jednoznacznie określono kierunek zmian częstotliwości rezonansowej, jak również uzyskano prosty i niezawodny układ o dużej sprawności energetycznej układu dzięki przestrajaniu częstotliwości generatora. Ponadto uzyskano możliwość sterowania według wartości dowolnej wielkości elektrycznej.According to the invention, the direction of changes of the resonant frequency was clearly defined, as well as a simple and reliable system with high energy efficiency of the system was obtained thanks to the tuning of the generator frequency. Moreover, it was possible to control according to the value of any electrical quantity.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, który na fig.la przedstawia generator ultradźwiękowy w postaci blokowej, zaś na fig. Ib- schemat blokowy układu sterującego generatora ultradźwiękowego, natomiast na fig. 2 a inny generator w wejściu zasilającym, zaś na fig. 2 b - inny generator ultradźwiękowy z blokiem pomiaru prądu włączonym w obwód przetwornika ultradźwiękowego, a na fig. 2 c -inny generator ultradźwiękowy z blokiem pomiaru napięcia, natomiast na fig. 2 d - inny generator ultradźwiękowy z blokiem pomiaru mocy, zaś na fig. 3 - schemat blokowy układu sterującego innego generatora ultradźwiękowego.The subject of the invention is shown in the embodiment in the drawing, which in Fig. 1a shows an ultrasonic generator in the form of a block, and in Fig. 1b - a block diagram of the ultrasonic generator control system, while in Fig. 2 a different generator is shown in the supply input, and in Fig. 2b - another ultrasonic generator with a current measurement unit connected to the ultrasonic transducer circuit, and in Fig. 2c - another ultrasonic generator with a voltage measurement unit, and in Fig. 2d - another ultrasonic generator with a power measurement unit, and in Fig. 2c 3 - block diagram of the control system of another ultrasonic generator.

157 613157 613

Generator ultradźwiękowy G, pokazany na fig. 1 a zasilany jest z sieci prądu przemiennego o napięciu Us. Ma wyjściu generatora G włączony jest przetwornik ultradźwiękowy Pu, który stanowi przetwornik piezoelektryczny. Na wejście sterujące SI, ... ,Sn generatora G są podawane sygnały z, pokazanego na fig. 1 b bloku formowania impulsów 3FI, które sterują półprzewodnikowymi elementami mocy generatora G. Sygnały na wejściach SI, ... ,Sn wytwarzane są w bloku BFI, który rozoziela impulsy zegarowe w odpowiedniej sekwencji podawane z bloku generatora przestrajanego napięciowo GPN. Częstotliwość impulsów zegarowych z generatora GPN określana jest częstotliwością f min i f max. Ma wejście generatora GPN jest podawany z bloku sterowania generatora przestrajanego napięciowo 9SGPN sygnał napięciowy, sterujący częstotliwością generatora GPN, ponadto z drugiego wyjścia generatora GPN jest podawany sygnał napięciowy sprzężenia zwrotnego Uz bloku BSGPN, synchronizujący pracę tego bloku BSGPN.The ultrasonic generator G shown in Fig. 1a is powered from an alternating current network with a voltage Us. At the output of the generator G, the ultrasonic transducer Pu, which is a piezoelectric transducer, is switched on. The control input S1, ..., Sn of the generator G are supplied with signals from the pulse forming block 3FI shown in Fig. 1b, which control the semiconductor power elements of the generator G. The signals at the inputs SI, ..., Sn are produced in the block A BFI that distributes the clock pulses in the appropriate sequence supplied from a voltage-tunable generator block GPN. The frequency of the clock pulses from the GPN generator is defined by the frequency f min and f max. It has an input of the GPN generator, a voltage signal that controls the frequency of the GPN generator is supplied from the control block of the voltage-tuned generator 9SGPN, and the feedback voltage signal Uz of the BSGPN block is supplied from the second output of the GPN generator, synchronizing the operation of this BSGPN block.

W pokazanym na fig. 2a, 2b, 2c, 2d, 3 innym układzie generatora ultradźwiękowego G na wejście sterujące SI, ... ,Sn generatora G podawane są sygnały z bloku formowania impulsów BFI, które sterują półprzewodnikowymi elementami mocy generatora G. Na wyjściu generatora G włączony jest przetwornik ultradźwiękowy Pu, który stanowi przetwornik piezoelektryczny. Sygnały na wejściach SI, ... ,Sn wytwarzane są w bloku BFI, który rozdziela impulsy zegarowe w odpowiedniej sekwencji sterującej podawane z generatora przestrajanego napięciowo GPN. Częstotliwość impulsów zegarowych w generatorze GPN określana jest częstotliwością f min i f max. Na wejście generatora GPN jest podawany z bloku sterowania przestrajanego napięciowo BSGPN sygnał napięciowy sterujący częstotliwością generatora GPN. Na wejście bloku BSGPN podawany jest sygnał z bloku śledzenia wartości ekstremalnej BSwE,który zapamiętuje wartość ekstremalną mierzonej wielkości podawanej z bloku pomiaru wielkości elektrycznych BPWE.In another circuit of the ultrasonic generator G shown in Figs. 2a, 2b, 2c, 2d, 3, signals from the pulse shaping block BFI are fed to the control input S1, ..., Sn of the generator G, which control the semiconductor power elements of the generator G. generator G, an ultrasonic transducer Pu is turned on, which is a piezoelectric transducer. The signals at the inputs S1, ..., Sn are produced in the BFI block, which separates the clock pulses in the appropriate control sequence supplied from a voltage tunable GPN generator. The frequency of the clock pulses in the GPN generator is determined by the frequency f min and f max. The input of the GPN generator is fed from the voltage tunable control block BSGPN a voltage signal controlling the frequency of the GPN generator. The signal from the BSwE extreme value tracking block is fed to the input of the BSGPN block, which stores the extreme value of the measured quantity supplied from the BPWE electrical quantity measurement block.

Na wyjściu generatora G dokonywany jest pomiar prądu Iz, który mierzony jest poprzez blok pomiaru prądu BPP, jak pokazano na fig. 2 b, lub pomiar napięcia prądu poprzez blok BPN, jak pokazano na fig. 2 c, aloo mierzona jest moc, poprzez blok pomiaru mocy BPM, jak pokazano na fig. 2 d. Pomiar wielkości elektrycznej może być dokonany również poprzez pomiar prądu Iz za pomocą bloku 3PZ włączonego na wejściu zasilającym generatora -G,pokazanym na fig. 2 a.At the output of the generator G, the current Iz is measured, which is measured by the BPP current measurement block as shown in Fig. 2b, or the voltage is measured by the BPN block as shown in Fig. 2c, measuring the BPM power as shown in Fig. 2d. The measurement of the electrical quantity can also be done by measuring the current Iz with a 3PZ block connected to the power input of the generator -G shown in Fig. 2a.

157 613157 613

FIG.3FIG. 3

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.Department of Publishing of the UP RP. Circulation of 90 copies

Cena 5000 zł.Price PLN 5,000.

Claims

Patent claims

1.An ultrasonic generator system with automatic frequency tuning, including control inputs and power inputs, the output of which is an ultrasonic transducer, characterized by a voltage tunable generator control block (BSGPN), the output of which is connected to the first input of a voltage tunable generator ( CPN), the second input of which is the minimum frequency signal (f min), and the third input the maximum frequency signal (f max), while the first output of the voltage tunable generator (GPN) is connected to the pulse forming block (3FI), and the second output of the generator (GPN) is connected to an input of a control block of the voltage tunable generator (BSGPN) and the output of the pulse forming block (8FI) is connected to a control input (S1, ..., Sn) of the ultrasonic generator (G).

2. Ultrasonic generator system with automatic frequency tuning, containing a control input and a power input, at the output of which an ultrasonic transducer is switched on, characterized by the fact that it has an electrical quantity measurement block (BPWE) connected to the input of the extreme value tracking block (3S'wE) , the output of which is connected, via the control unit of the voltage tunable generator (3SGPN), to the first input of the voltage tunable generator (GPN), the second input of which is fed a minimum frequency signal (f min), and the third input of which is a maximum frequency signal ( f max), while the outputs of the voltage tunable generator (GPN) are connected to a pulse shaping block (BFI) whose output is connected to the control input (51, ..., Sn) of the ultrasonic generator (G).

The system according to p. The method of claim 1, characterized by the fact that the electric quantity measurement block (3ΡΚΞ) is a current measurement unit (3PP) connected to the lead of the ultrasonic transducer (Pu).

4. The system according to p. 2, provided that the electric quantity measurement block (BPWE), included in the ultrasonic transducer (Pu) circuit, is a voltage measurement unit (3PN).

5. The system according to p. 2, provided that the electrical quantity measurement unit (BPWE) is a power measurement unit (BPM) connected to the ultrasonic transducer (Pu) circuit.

about. Arrangement of weolug claims 2, with the proviso that the electrical quantity measurement Dlok (BPWE) is a current measurement block (BPPZ) connected to the supply input of the ultrasonic generator (G).

♦ * *