PL225675B1 - Ultradźwiękowy przetwornik elektromechaniczny o konstrukcji kanapkowej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest ultradźwiękowy przetwornik elektromechaniczny o konstrukcji k anapkowej, przeznaczony w szczególności do pracy z dużymi mocami.

Przetworniki te znajdują zastosowanie we wszelkich układach drgających przeznaczonych do pracy ze średnimi i wyższymi mocami, przykładowo w technologiach zgrzewania metali bądź tworzyw sztucznych, w układach drgających do pracy w środowisku cieczy przykładowo maceracji, lub w układach kawitacyjnych.

We wszystkich tych przypadkach często zachodzi konieczność pracy przetworników ultradźwiękowych z dużymi mocami powodująca nagrzewanie się elementów ceramicznych oraz całego przetwornika ze względu na skończoną sprawność energetyczną procesu przetwarzania energii elek trycznej na mechaniczną zarówno w przypadku przetworników magnetostrykcyjnych jak i piezoceramicznych. Nagrzewanie się układów przetworników prowadzi do zmiany charakterystyki oscylacyjnej przetwornika zmieniając położenia częstotliwościowe właściwego punktu pracy, zapewniającego optymalne warunki pracy całego zestawu ultradźwiękowego, w skład którego wchodzi przetwornik. Powoduje to spadek sprawności procesu ultradźwiękowego oraz może powodować problemy związane z jakością otrzymywanych zgrzewów, w przypadku technologii zgrzewania ultradźwiękowego. Spowodowane jest to zmieniającymi się w czasie warunkami pracy układów drgających powiązanymi ze zmianami termicznymi charakterystyki częstotliwościowej przetwornika, do których można zaliczyć m. in. trudności z uzyskaniem niezbędnej w produkcji przemysłowej powtarzalności procesów zgrzewania. Problem ten jest o tyle istotny, że termiczny mechanizm zmian charakterystyki przetwornika jest jednym z na jważniejszych i najczęściej obserwowanych.

Znane są i szeroko stosowane typowe konstrukcje przetworników kanapkowych dostępne w ofercie wielu producentów przetworników. Przetworniki o takiej konstrukcji umożliwiają przenoszenie dużych mocy i ze względu na prostą konstrukcję są chętnie stosowane w przemyśle, tworząc pewien standard. Oferowane na rynku przetworniki tego typu nie mają możliwości pomiaru aktualnej temperatury elementów ceramicznych, przez co sterowanie procesem technologicznym odbywa się jedynie na podstawie pomiarów parametrów elektrycznych. Skomplikowana natura elektrycznych modeli zastępczych, na podstawie których wyznacza się aktualne parametry pracy przetwornika powoduje, że często parametry te obarczone są znacznym błędem. Wpływa to negatywnie na parametry użytkowe układu drgającego i przetwornika, skracając jego żywotność.

Znane są liczne opisy patentowe różnych konstrukcji przetworników kanapkowych, na przykład US 4950936A, US 3140859A, czy US 2895061 A, przedstawiające przetworniki nie posiadających możliwości pomiaru temperatury elementów ceramicznych.

Znane są np. z publikacji S. Zhang, F. Yu, „Piezoelectric Materials for High Temperature Sensors”, J. Am. Ceram. Soc., 94 [10] 3153-3170 (2011) rozwiązania polegające na zastosowaniu samych dysków bądź elementów piezoceramicznych jako czujników temperatury. Tego typu rozwiązania nie są jednak przystosowane do pracy w warunkach jednoczesnego przenoszenia większych mocy, jak to ma typowo miejsce w ultradźwiękowych technologiach przemysłowych i wymagają stosowania konkretnych kształtów elementów piezoelektrycznych oraz bardzo czystych materiałów ceramicznych. W przypadku technologii przemysłowych nie ma możliwości integracji tego typu rozwiązań w konstrukcji przetworników kanapkowych ze względu na fakt, że ich działanie wymaga ciągłego zasilania elementu pomiarowego i mierzenia jego charakterystyki mechanicznej.

Ultradźwiękowy przetwornik elektromechaniczny, według wynalazku, ze względu na przeznaczenie do stosowania konstrukcję typowego kanapkowego przetwornika piezoelektrycznego składającego się z obudowy, emitera drgań mechanicznych przekazującego drgania do pozostałych części układu drgającego takich jak wzmacniacz czy sonotroda, stosu dysków piezoceramicznych oddzielonych od siebie elektrodami metalowymi podłączonymi do zewnętrznego źródła zasilania sygnałem elektrycznym o częstości akustycznej, reflektora oraz śruby zapewniającej właściwe sprzężenie m echaniczne dysków ceramicznych z pozostałymi elementami układu. Śruba oddzielona jest od dysków ceramicznych oraz elektrod przekładką izolacyjną z tworzywa sztucznego cechującą się dobrą izolacją elektryczną przy jednocześnie małej rezystancji cieplnej. Wewnątrz śruby nawiercony jest otwór o takiej głębokości, że jego dno znajduje się na głębokości, na której występuje maksymalna lokalna temperatura stosu piezoceramicznego. Na dnie otworu zamontowany jest element pomiarowy w postaci termorezystora lub termopary, którego dobre sprzężenie cieplne z przetwornikiem zapewnione jest przez substancję termoprzewodzącą.

PL 225 675 B1

W rozwiązaniu tym rozproszone rezystancje cieplne elementów przetwornika oraz stała czasowa odpowiedzi czujnika temperatury tworzą układ całkujący, dzięki czemu możliwy jest pomiar zarówno chwilowej jak i średniej temperatury przetwornika poprzez zastosowanie czujników o odpowiednio dobranych stałych czasowych.

Zaletą wynalazku jest możliwość bezpośredniego pomiaru temperatury przetwornika bez konieczności wyznaczania jej na podstawie pomiarów elektrycznych, dzięki czemu możliwe jest takie sterowanie pobudzeniem przetwornika, aby zapewnić bezpieczne warunki pracy zwiększając w ten sposób żywotność urządzenia.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, który stanowi przekrój przetwornika elektromechanicznego.

Ultradźwiękowy przetwornik elektromechaniczny zbudowany jest z obudowy 2, emitera drgań mechanicznych 9, stosu dysków piezoceramicznych 6 oddzielonych od siebie elektrodami metalowymi 7, reflektora 3 oraz śruby 1 zapewniającej właściwe sprzężenie mechaniczne dysków piezoceramicznych 6 z emiterem 9 i reflektorem 3. Śruba 1 oddzielona jest od dysków piezoceramicznych 6 oraz elektrod metalowych 7 przekładką izolacyjną 5 z tworzywa sztucznego cechującą się dobrą izolacją elektryczną przy jednocześnie małej rezystancji cieplnej. Wewnątrz śruby 1 nawiercony jest otwór, którego dno znajduje się na głębokości, na której występuje maksymalna lokalna temperatura stosu dysków piezoceramicznych 6. Na dnie otworu w śrubie 1 zamontowany jest element pomiarowy 4 w postaci termorezystora lub termopary, którego dobre sprzężenie cieplne ze stosem dysków piezoceramicznych 6 zapewnione jest przez substancję termoprzewodzącą 8.

Działanie przetwornika jest następujące:

Układ zasilany jest z zewnętrznego źródła zasilania napięciem o częstotliwości akustycznej poprzez elektrody metalowe 7. W skutek wytworzonego pomiędzy elektrodami metalowymi 7 pola elektrycznego następuje odkształcenie dysków piezoceramicznych 6 będące w fazie z częstotliwością sygnału akustycznego. Wytwarza się w ten sposób fala mechaniczna propagująca się od dysków piezoceramicznych w stronę reflektora 3 i emitera 9. Dzięki dużej różnicy między impedancją akustyczna materiałów reflektora 3 oraz emitera 9 a impedancją akustyczną powietrza następuje odbicie fali na powierzchniach reflektora 3 i emitera 9 tworząc w rezultacie falę quasi stojącą o długości wymuszonej poprzez wymiary geometrycznej elementów reflektora 3 i emitera 9. Część energii elektrycznej oraz mechanicznej zostaje wydzielona w przetworniku w postaci ciepła wpływając w ten sposób na właśc iwości dysków piezoceramicznych 6 powodując zmianę warunków konwersji elektro-mechanicznej i w konsekwencji spadek sprawności energetycznej przy stałej częstotliwości napięcia wymuszając ego. Wydzielone w dyskach piezoceramicznych 6 ciepło przechodzi od dysków ceramicznych do wszystkich elementów przetwornika. Wzrost temperatury spowodowany tym zjawiskiem mierzony jest poprzez element pomiarowy 4. Informacja o aktualnej temperaturze przetwornika może być wykorzystana poprzez system zasilania przetwornika w celu modyfikacji częstotliwości sygnału napięciowego, wymuszającego drgania dysków piezoceramicznych 6 tak, aby zapewnić wysoką sprawność konwersji elektro-mechanicznej.

W rozwiązaniu tym rozproszone rezystancje cieplne elementów przetwornika oraz stała czasowa odpowiedzi czujnika temperatury tworzą układ całkujący, dzięki czemu możliwy jest pomiar zarówno chwilowej jak i średniej temperatury przetwornika poprzez zastosowanie czujników o odpowiednio dobranych stałych czasowych.

Zaletą wynalazku jest możliwość bezpośredniego pomiaru temperatury przetwornika bez konieczności wyznaczania jej na podstawie pomiarów elektrycznych, dzięki czemu możliwe jest takie sterowanie pobudzeniem przetwornika, aby zapewnić bezpieczne warunki pracy zwiększając w ten sposób żywotność urządzenia.

Claims (1)

1. Ultradźwiękowy przetwornik elektromechaniczny o konstrukcji kanapkowej składający się z obudowy, emitera drgań mechanicznych, stosu dysków piezoceramicznych, oddzielonych od siebie elektrodami metalowymi, podłączonymi do zewnętrznego źródła zasilania sygnałem elektrycznym o częstości akustycznej, reflektora oraz śruby zapewniającej właściwe sprzężenie mechaniczne dysków piezoceramicznych z emiterem i reflektorem, gdzie śruba oddzielona jest od dysków piezoceramicznych oraz elektrod metalowych przekładką izolacyjną z tworzywa sztucznego cechującą się dobrą

   PL 225 675 B1 izolacją elektryczną przy jednocześnie małej rezystancji cieplnej, znamienny tym, że we wnętrzu śruby (1) nawiercony jest otwór, którego dno znajduje się na głębokości, na której występuje maksymalna lokalna temperatura stosu dysków piezoceramicznych (6), a na dnie otworu zamontowany jest element pomiarowy (4), otoczony substancją termoprzewodzącą (8), zapewniającą dobre sprzężenie cieplne elementu pomiarowego (4) ze stosem dysków piezoceramicznych.