WO2007012676A1 - Generador macrosónico para la desespumación industrial de líquidos por vía aérea - Google Patents

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Juan Antonio GALLEGO JUÁREZ
Germán RODRÍGUEZ CORRAL
Fausto Montoya Vitini
Victor Acosta Aparicio
Enrique Riera Franco De Sarabia
Alfonso Blanco Blanco
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Consejo Superior De Investigaciones Científicas
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    • B06B2201/70—Specific application

Definitions

  • This invention relates to a sonic and / or ultrasonic generator for mechanical breakage of the high consistency bubbles that constitute industrial foams. Therefore it can be assigned to the industrial instrumentation sector, with applications in the field of industrial fermentation processes.
  • Macrosonic defoaming is a process of destruction of the bubbles that form the foam by means of the cyclically positive and negative pressure amplitudes generated by the high intensity sonic and / or ultrasonic waves that strike the foam from the air.
  • the mechanisms of bubble rupture induced by macrosonic radiation are basically the resonances of the bubbles, the radiation pressure, the friction between bubbles, the acoustic currents and the atomization of the film that that forms the bubble [L. Bjorno, "High-power Ultrasonics: Theory and Applications” Proc. of the 13 * International Congress on Acoustics, Belgrade 1989, pp. 77-89].
  • the object of the present invention is an airborne macrosonic generator for mechanical breakage of the high consistency bubbles that constitute industrial foams consisting of an electroacoustic power transducer and an electronic generating device for controlled excitation thereof.
  • the electroacoustic transducer consists of a transducer element, piezoelectric or magnetostrictive vibrating externally, which acts as an exciter of a plate-shaped radiator with a discontinuous profile specifically designed to maximize the power capacity in the generation of focused acoustic fields, and / or Reduce the weight of the titanium radiator.
  • the electronic generator introduces a device and procedure for the control and monitoring of the transducer resonance frequency and for the constant maintenance of the power supplied to it.
  • This invention relates to a sonic and / or ultrasonic generator for air emission with a power capacity and radiation characteristics that allow to obtain in a safe and controlled way, the necessary sound pressure levels (> 170dB ref. 2.1O 4 ⁇ bar ) for the mechanical breakage of the high consistency bubbles that constitute industrial foams.
  • the device incorporates a large surface vibrating plate (with respect to the vibration wavelength) as a radiator, constructed of high mechanical resistance material and good vibrational characteristics (usually titanium alloy), the thickness of which is discontinuously variable. to distribute the masses, homogenize the amplitudes of the vibratory displacements and, as a consequence, increase the power capacity.
  • the radiator is a plate of large area of non-homogeneous thickness that vibrates in one of its flexural modes.
  • the volume of the radiant plate is minimized for a given resonance frequency.
  • the profile of the emitting face of the radiant plate is designed to obtain focused fields by relatively displacing the internodal zones so that the distance of these zones to the focus causes the radiation to arrive in phase.
  • the generator also incorporates a digital electronic device for the precise control and monitoring of the resonance frequency under the different working conditions. DESCRIPTION OF THE FIGURES
  • Figure 1 Diagram of a plate radiator with discontinuous profile on both sides for directive and focused radiation, respectively (according to Pat. [JA Gallego-Juarez et al. "Electroacoustic equipment for the generation of high sonic and ultrasonic intensities in gases and interfaces "Spanish Patent No. 8903371, 1989)
  • Figure 2 Distribution of vibration amplitudes in a focused / directive plate radiator according to Pat. [J. A. Gallego-Juárez et al. "Electroacoustic equipment for the generation of high sonic and ultrasonic intensities in gases and interfaces" Spanish Patent No. 8903371, 1989]
  • Figure 3 Diagram of a plate radiator for focused emission with maximum power capacity (according to the present invention)
  • Figure 4 Distribution of vibration amplitudes in a plate radiator designed according to the criteria of the present invention
  • Figure 5 Comparison of power capacity curves for two plate radiators designed: (a) according to Patent [J. A. Gallego -Juárez et al. "Electroacoustic equipment for the generation of high sonic and ultrasonic intensities in gases and interfaces" Spanish Patent No. 8903371, 1989], (b) According to the present invention
  • Figure 6 Scheme of a macrosonic transducer with plate radiator according to the present invention
  • Transduction element piezoelectric (or magnetostrictive) sandwich plus mechanical amplifier
  • FIG. 7 Block diagram of the electronic generation system according to the present invention. DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • the object of the invention is a macrosonic generator for focused emission by air of sonic or ultrasonic waves of high intensity on a foamy medium with the aim of breaking the bubbles that form this medium.
  • Said generator is basically constituted by a piezoelectric (or magnetostrictive) transduction element that pilots a vibrating plate with a large surface (with respect to the wavelength of the vibration in the material) and a non-homogeneous thickness that vibrates flexibly and acts as an acoustic radiator.
  • the invention includes an electronic excitation system that incorporates a digital device for programming the operating cycle and controlling and monitoring the resonance frequency under varying working conditions.
  • the radiating element is a plate vibrating at flexion, but which, instead of being flat, has a discontinuous profile.
  • the profile design is obtained by displacing the internodal zones to phase the radiation.
  • plate radiators with discontinuous profiles have been achieved on both sides so that on one side they generate coherent fields and on the other, focused fields.
  • Figure 1 the resonance frequency control system used in these generators does not have the necessary stability for industrial treatments.
  • a new type of radiator which, in addition to incorporating the profile required for the generation of a focused acoustic field, necessary for defoaming, has a profile on its non-radiating face that is determined by redistribution of the amplitudes of vibration.
  • the configuration of this profile is carried out with the following objectives: to increase the amplitudes of the displacements of the peripheral internals, which account for the majority of the radiation surface and, at the same time, decrease the displacements of the central internals .
  • the thickness of the steps located in the peripheral internodal areas is thinned while that of the central areas is maintained or slightly modified.
  • Figure 7 introduces a new procedure for monitoring the frequency of the resonance of the emitter and for the constant maintenance of the power that does not require the assistance of an operator human.
  • the procedure is based on the inclusion of a microcontroller in the transducer control loop that maintains at all times, automatically, the optimal conditions of emission.
  • This method has a series of advantages over those mentioned above: a) It is not necessary to adjust the generator parameters manually each time it is switched on, and it can be started by any person without specialization. b) The operation of the system at the resonance point is very stable, adapting faithfully to the changes in resonance frequency and electrical impedance caused by variations in the characteristics of the medium in which the emitter radiates, and the drifts due to aging of the system, not requiring any monitoring during the operating time. c) No adjustment is necessary every time the transducer is changed, as the generator automatically adapts to the characteristics of each individual transducer. d) The realization of the electronic device does not require the use of high precision components. e) Increases the ability and longevity of the entire system, by having greater protection and better control. f) It has remote monitoring and telemetry capability, allowing automated maintenance routines. g) It adapts to industrial environments with harsh environmental conditions.
  • the generator system consists of the following fundamental steps:
  • An impedance matching transformer Tl which reduces the impedance of the transducer to that of the characteristic impedance of the transmission line described in the following paragraph.
  • An impedance transformer T2 that adapts the characteristic impedance of the transmission line Cl, to the output impedance of the power amplifier described in the following paragraph.
  • a power amplifier Al suitable for supplying the necessary power to the transducer.
  • a PLL Phase Looked Loop circuit for generating the power amplifier exciter signal, with a frequency equal to the transducer resonance frequency.
  • a Pl processor to perform operations of measurement of working conditions, control of phase stability, power and working frequency band, supervision of the complete electroacoustic system, monitoring of variables and parameters, as well as communication with computers, or devices, remote.
  • a communications interface II to connect the microprocessor Ml to a remote computer.
  • the compensation reactance Ll resonates at the working frequency of the transducer with the parasitic electrical capacity of the transducer, compensating for the harmful offset that it could introduce.
  • the transformer Tl is of a much wider band than the resonance frequency range in which the transducer moves, introducing a negligible offset.
  • the transformation ratio is such that the impedance presented by the primary is adapted to the characteristic impedance of the transmission line, when loaded with the cold transducer.
  • the Cl transmission line is shielded to avoid the emission of interference, which can be of the coaxial type, or of the two-wire type with display, its characteristic impedance can vary between 50 ⁇ and 300 ⁇ . Depending on the application, it may be necessary for the transducer and main equipment to be very far apart, and therefore the transmission line can be very long, forcing the terminal impedances at its ends to be adapted.
  • the impedance transformer T2 is of a much wider band than the resonance frequency range in which the transducer moves, introducing negligible offset.
  • the transformation ratio is such that the impedance presented by the secondary is adapted to the characteristic impedance of the transmission line, when excited by the power amplifier.
  • the power amplifier Al is capable of delivering an appropriate power to each application at the working frequency of the transducer. Its design is common and can be acquired in the market. It must be able to operate continuously at maximum rated power.
  • the channel for taking a sample of the current signal in the load is formed by the resistance Rl that is in series with the amplifier load and that is of much lower value than the characteristic impedance of the Cl line , so that it does not significantly modify the load impedance and the voltage, which appears in its terminals, is proportional to the current intensity in the line.
  • the signal obtained serves both for frequency control and for power control.
  • the channel for taking a sample of the voltage of the voltage applied to the transmission line Cl is formed by a voltage divider that takes a small fraction of it, constructed with resistors R2 and R3. The signal obtained serves both for frequency control and for power control. 8) Set of signal processors
  • PGA1, PGA2, PGA3 programmable amplifiers controllable from the processor, PGAl amplifies the voltage sample, PGA2 the current sample, PG A3 the excitation signal to the PA amplifier. they provide, by modifying their gain, digitally controllable, the appropriate dynamic level to minimize errors in the process.
  • El, E2 obtain the effective value of the electrical signal associated with the voltage (El) and current (E2) sample which makes it possible to extract further parameters such as the impedance module, or not to exceed the maximum current allowed by the transducer .
  • DCl, DC2 are the zero cross extractors of the voltage and current samples, respectively, basically cut the input signal, just passing through the zero value, so that its output only presents two states at its output , "0" or "1", depending on whether the signal is above or below this value, this provides a trip value from which a reference phase can be measured, and thus the phase difference between voltage and current, which is useful, as a measure and as an error signal, for the phase regulation feedback loop via the PLL circuit.
  • MUl, MU2, MU3 are multiplier circuits.
  • the operation of MUl is described in the paragraph of the PLL.
  • MU2 is used as a phase comparator, after integrating its output, by means of R7 and C3, we obtain the phase difference between voltage and current.
  • MU3 is responsible for obtaining the electrical power, from the known voltage and current samples as a product of them, integration through R5 and C2 and subsequent scaling. It is interesting to note that the use of PGA1 and PGA2 in front of MU3 is intended to increase the dynamic range and resolution of the ADl converter that significantly increases its performance, such as (PGA1 resolution bits) x (PGA2 resolution bits), which allows to realize, at low cost, systems of measurement of power of precision.
  • the PLL (Phase Looked Loop) circuit is of the common type. It is composed of a VCO (Voltage controlled oscillator), a four quadrant multiplier acting as a phase comparator Ml and a low pass filter, formed by resistance R6 and capacitor C3.
  • the VCO has two outputs, one square waveform to attack the phase comparator and another sine waveform to attack the amplifier, both outputs are offset by ⁇ / 2 radians.
  • the other phase comparator input is the output current sample signal.
  • the phase comparator is a four quadrant multiplier, so that the PLL engages in the frequency at which the phase difference between the two inputs is ⁇ / 2, as the phase difference between the two VCO outputs is also ⁇ / 2 it turns out that the phase at which the voltage and current at the output of the power amplifier is O will be maintained.
  • the central working frequency of the VCO is regulated by the resistor R4 and the capacitor Cl.
  • the VCO output has a waveform compatible with the transducer, usually of the sinusoidal type, whose amplitude is digitally controlled by PG A3.
  • the programmable voltage unit, UVl produces an electrical voltage, commanded from the processor.
  • the adder SMl adds this voltage to the phase reading error of the primary control loop of the PLL, so that we can alter the phase and frequency of the VCO, since we know that - as previously discussed - and the frequency, obtained by a procedure of pulse count, for a known time, through the DF input. This allows to establish a control loop and displacing the capture margin of the PLL in the frequency zone that we want, and therefore, proceeding to the phase tracking in the band of resonance frequencies that we want.
  • the ADl converter together with the four-input Ml multiplexer: VV, VI, VW, VF, for the numerical conversion of the values of effective voltage, effective current, power and phase, respectively, so that these can be acquired by the processor, so that they feed the input variables in the different algorithms.
  • the bit resolution of ADl is magnified by the use of PGA1 and PGA2, digitally controlled amplifiers, which, as we discussed earlier, greatly expand its dynamics.
  • the Pl processor is of the general type and can be a microcontroller, or a microprocessor, or a signal processor, or an FPGA or any other capable of performing real-time operations at high speed. It fulfills the following functions: a) Measurement and calculation of fundamental parameters of the Transducer:
  • the optimum working frequency of the transducer is determined based on a set of parameters such as: Frequency margins where the resonances are to be found, Permissible impedance range, Optimal and search phase range, excitation level during the search and search strategies based on the frequency offset with respect to the predictable resonance frequency, search: Coarse, medium and fine.
  • the communications interface Il is of the standard type for communicating computers with each other. It can be a current loop, or a voltage loop such as RS232 or RS485 or any other communication interface between computers suitable for transmitting at the distance between the electronic equipment and the remote computer that controls it.
  • the profile of the non-emitting face of the radiant plate is designed by thinning the thickness of the peripheral internals and maintaining and / or slightly modifying the thickness of the central internals so that the distribution of maximum displacements is homogenized maximizing in the zones peripherals and moderating in the central areas.
  • the radiant plate for a given frequency and vibration mode, has the maximum power capacity with minimum volume.
  • the electronic generator device a. It produces at each moment a signal whose frequency is equal to the optimum of the transduction system, automatically correcting the value of said frequency to adapt it to the slippage that may occur in the emitter's resonance frequency, b. It produces at each moment a signal whose power is constant and equal to the setpoint power preset at the time of its configuration, automatically correcting the voltage excitation value of the transducer to adapt it to the variation of its working conditions, c . It works automatically autonomously without the intervention of a specialized operator, d. It works optimally with any transducer connected to it, regardless of its specific characteristics of resonance frequency, bandwidth and electrical resistance, without having to readjust the system parameters. and.
  • It can be commanded, through a communications interface, by a remote computer, to vary the power, electrical excitation, and working frequency of the transducer, or to stop it, or start it up, or even to initiate a full characterization operation of the transducer to which it is connected, as well as the different operating and safety parameters, j. It can be monitored or commanded, through a communications interface, by a remote computer, using a data line shared with other identical equipment that in turn can be monitored or commanded, k.
  • PLL Phase looked loop
  • Ultrasonic transducer according to a set of parameters such as: working impedance range, working frequency range, maximum allowable offset, minimum obtainable offset, maximum current, maximum excitation, excitation mode or constant power, excitation level during characterization , state of the supply voltage, adopting different strategies to obtain the maximum energy efficiency, m. It protects the system as a whole by preventing operation in extreme, or excessively unfavorable, conditions for the transducer, which, although it can still function on time, can compromise its longevity, thus affecting joint reliability.

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Abstract

Esta invención se refiere a un generador sónico y/o ultrasónico para emisión en aire con una capacidad de potencia y unas características de radiación que permiten obtener de forma segura y controlada, los niveles de presión acústica necesarios (>170dB ref. 2.10-4 μbar) para la rotura mecánica de las burbujas de alta consistencia que constituyen las espumas industriales.

Description

TITULO
GENERADOR MACROSÓNICO PARA LA DESESPUMACIÓN INDUSTRIAL DE LÍQUIDOS POR VÍA AÉREA
SECTOR DE LA TÉCNICA
Esta invención se refiere a un generador sónico y/o ultrasónico para la rotura mecánica de las burbujas de alta consistencia que constituyen las espumas industriales. Por lo tanto se le puede adscribir al sector de instrumentación industrial, con aplicaciones en el campo de los procesos fermentativos industriales.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Los problemas ocasionados por el exceso de espuma en los procesos industriales, afectan a un gran número de sectores tales como el alimentario, el farmacéutico, el químico, etc. En alguno de estos sectores, y más específicamente en los que se basan en procesos de fermentación, el exceso de espuma constituye uno de los problemas más significativos. En concreto, el exceso de espumas origina disminución de la capacidad de los depósitos, deficiencias en los procesos y reacciones, derrames y pérdidas de producto, dificultades en la dosificación del envasado y llenado, efectos perjudiciales en maquinaria y equipos, etc. Las espumas se producen en reactores, fermentadores, mezcladores, máquinas de envasado, etc. Existen muy diversos tipos de espuma, y cabe indicar que el grado de dificultad para su eliminación depende de sus características. Los métodos más comúnmente empleados para la desespumación son: químicos, mecánicos y térmicos. Los métodos químicos son los más eficaces pero tienen el problema de contaminar el producto. Los procedimientos mecánicos tales como paletas móviles, chorros de aire o agua, etc. Son buenos para espumas gruesas pero poco eficaces para la espuma fina. Los métodos térmicos, que consisten en calentar y enfriar la espuma, son caros y difíciles de aplicar.
La capacidad de las ondas sónicas y/o ultrasónicas de alta intensidad para producir la rotura de espumas es conocida desde hace décadas [R.M.G. Boucher and A.L Weiner "Foam control by acoustic and aerodynamic means" British Chemical Engineering vol. 8, 1963, pp. 808-812.] si bien su aplicación y desarrollo industrial ha sido muy limitado. Esta situación cabe atribuirla fundamente a la falta de generadores macrosónicos adecuados. Los generadores acústicos de potencia usados inicialmente eran del tipo aerodinámico (sirenas, silbatos acústicos) los que, aparte de poseer baja eficiencia [H. Hollfelder, Improving the efficiency of stem-jet whistles, Ultrasonics 5, 250-51, 1967)], dan lugar a una serie de problemas colaterales tales como corrientes de aire, calentamientos, etc. que dificultan su aplicación.
El problema de la despumación industrial ha adquirido una mayor relevancia recientemente, por las crecientes restricciones para el uso de desespumantes químicos (el método hasta ahora más empleado), en particular en sectores tales como el alimentario y el farmacéutico. Esto hace que la aplicación de las ondas macrosónicas (sonidos o ultrasonidos de alta intensidad) vuelva a considerarse como un posible medio de desespumación industrial no contaminante. Sin embargo, los precedentes más recientes sobre la "desespumación macrosónica" recurren a la aplicación de los sonidos y/o ultrasonidos a través del líquido [N. Ueno, Y. Nishi, T. Sakurai, "Method of ultrasonic waves degassing and device using the same", US Patent 6,106,590, 2000, H. K. Ratcliff, "Rotating sonic energy wave" US Patent 3761732, 1972, Apparatus for defoaming liquids, Patent USA, 1075100, 1966, F. Shuhei, "Ultrasonic defoaming tank", Patente europea EP10020253, 1998., J. A. Gallego-Juárez, "High Power Ultrasound" en Wiley Encyclopaedia of Electrical and Electronics Engineering, vo. 9, pp. 49-59, 1999 ] lo que en realidad supone, no la rotura de la espuma, sino la desgasificación del líquido que es un proceso distinto. De hecho en la "desgasificación macrosónica" la onda se genera en la masa líquida y el gas disuelto o en forma de pequeñas burbujas dentro de ella se agrupa, formando burbujas de mayor tamaño que van aumentando progresivamente con la oscilación, ascendiendo hacia la superficie por donde finalmente escapan del líquido. Es el fenómeno ampliamente referido en la literatura como "difusión rectificada" [T. G. Leighton "the acoustic bubble", Academic Press, London 1994] [L. Bjorno, "High-power Ultrasonics: Theory and Applications" Proc. of the 13a International Congress on Acoustics, Belgrade 1989, pp. 77-89]
La "desespumación macrosónica" es un proceso de destrucción de las burbujas que forman la espuma mediante las amplitudes de presión, cíclicamente positivas y negativas, generadas por las ondas sónicas y/o ultrasónicas de alta intensidad que inciden desde el aire sobre la espuma. Los mecanismos de ruptura de burbujas inducidos por la radiación macrosónica son, básicamente, las resonancias de las burbujas, la presión de radiación, la fricción entre burbujas, las corrientes acústicas y la atomización del film que que forma la burbuja [L. Bjorno, "High-power Ultrasonics: Theory and Applications" Proc. of the 13* International Congress on Acoustics, Belgrade 1989, pp. 77-89].
El objeto de la presente invención es un generador macrosónico por vía aérea para la rotura mecánica de las burbujas de alta consistencia que constituyen las espumas industriales que consiste en un transductor electroacústico de potencia y un dispositivo generador electrónico para la excitación controlada del mismo. El transductor electroacústico consta de un elemento de transducción, piezoeléctrico o magnetostrictivo vibrando extensionalmente, que actúa como excitador de un radiador en forma de placa con un perfil discontinuo específicamente diseñado para maximizar la capacidad de potencia en la generación de campos acústicos focalizados, y/o reducir el peso del radiador de titanio. El generador electrónico introduce un dispositivo y procedimiento para el control y seguimiento de la frecuencia de resonancia del transductor y para el mantenimiento constante de la potencia suministrada al mismo.
COMPENDIO DE LA INVECNIÓN
Esta invención se refiere a un generador sónico y/o ultrasónico para emisión en aire con una capacidad de potencia y unas características de radiación que permiten obtener de forma segura y controlada, los niveles de presión acústica necesarios (>170dB ref. 2.1O4 μbar) para la rotura mecánica de las burbujas de alta consistencia que constituyen las espumas industriales. A este fin el dispositivo incorpora como radiador una placa vibrante de superficie extensa (respecto a la longitud de onda de vibración), construido en material de alta resistencia mecánica y buenas características vibracionales (generalmente aleación de titanio), cuyo espesor es variable de forma discontinua para distribuir las masas, homogeneizar las amplitudes de los desplazamientos vibratorios y, como consecuencia, aumentar la capacidad de potencia. El radiador es una placa de gran área de espesor no homogéneo que vibra en uno de sus modos flexionales. Además el volumen de la placa radiante se minimiza para una determinada frecuencia de resonancia. El perfil de la cara emisora de la placa radiante se diseña para obtener campos focalizados desplazando relativamente las zonas internodales de modo que la distancia de estas zonas al foco haga que la radiación llegue en fase.
Asimismo el generador incorpora un dispositivo electrónico digital para el control y seguimiento preciso de la frecuencia de resonancia bajo las distintas condiciones de trabajo. DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1 : Esquema de un radiador de placa con perfil discontinuo en ambas caras para radiación directiva y focalizada, respectivamente (según Pat. [J. A. Gallego- Juárez et al. "Equipo electroacústico para la generación de altas intensidades sónicas y ultrasónicas en gases e interfases" Patente española n° 8903371, 1989)
Figura 2: Distribución de las amplitudes de vibración en un radiador de placa focalizada/directiva según Pat. [J. A. Gallego-Juárez et al. "Equipo electroacústico para la generación de altas intensidades sónicas y ultrasónicas en gases e interfases" Patente española n° 8903371, 1989]
Figura 3: Esquema de un radiador de placa para emisión focalizada con máxima capacidad de potencia (según la presente invención)
Figura 4: Distribución de las amplitudes de vibración en un radiador de placa diseñada según los criterios de la presente invención Figura 5: Comparación de las curvas de capacidad de potencia para dos radiadores de placa diseñados: (a) según Patente [J. A. Gallego -Juárez et al. "Equipo electroacústico para la generación de altas intensidades sónicas y ultrasónicas en gases e interfases" Patente española n° 8903371, 1989], (b) Según la presente invención Figura 6: Esquema de un transductor macrosónico con radiador de placa según la presente invención
1. Conexión con equipo electrónico
2. Elemento de transducción: sandwich piezoeléctrico (o magnetostrictivo) más amplificador mecánico
3. Cara de la placa radiante con distribución de espesores para obtener máxima capacidad de potencia de la placa.
4. Cara con perfil para obtener radiación focalizada
Figura 7: Diagrama de bloque del sistema electrónico de generación según la presente invención. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención es un generador macrosónico para la emisión focalizada por vía aérea de ondas sónicas o ultrasónicas de alta intensidad sobre un medio espumoso con el objetivo de romper las burbujas que forman este medio. Dicho generador está constituido básicamente por un elemento de transducción piezoeléctrico (o magnetostrictivo) que pilota una placa vibrante de superficie extensa (respecto a la longitud de onda de la vibración en el material) y espesor no homogéneo que vibra flexionahnente y actúa como radiador acústico. La invención incluye un sistema electrónico de excitación que incorpora un dispositivo digital para la programación del ciclo de operación y el control y seguimiento de la frecuencia de resonancia bajo condiciones de trabajo variables.
Para destruir una espuma se requiere una alta intensidad acústica: generalmente más de 170 dB. Producir este alto nivel a través del aire implica disponer de un generador acústico de alto rendimiento y alta capacidad de potencia que emita un campo acústico focalizado. Para la consecución de estos objetivos se precisan generadores de potencia a altas frecuencias sónicas o ultrasónicas con unas características muy específicas. La generación por vía aérea de altas intensidades sónicas y/o ultrasónicas presenta grandes dificultades debidas a la baja impedancia acústica del medio y a su elevada absorción. La mayoría de los sistemas de generación que se han tratado de aplicar a problemas industriales han sido de tipo aerodinámico (silbato y sirenas) en los que la energía es suministrada mediante un chorro de gas [P. Greguss, "The application of airborne and liquid borne sounds to industrial technology" Ultrasonics 2, 1964]. La potencia acústica conseguida con estos sistemas podía ser en algunos casos relativamente elevada, sin embargo los rendimientos alcanzados eran muy bajos. Por otra parte, presentaban dificultades para trabajar a frecuencias ultrasónicas y las señales acústicas emitidas solían contener armónicos y subarmónicos. Los sistemas aerodinámicos tienen además la desventaja de que, junto con la señal acústica, se propaga una buena parte del gas que produce la energía de excitación. Otros generadores ultrasónicos de tipo piezoeléctrico o magnetostrictivo que utilizan vibradores sólidos extensionales están limitados en su superficie de radiación, ya que, para evitar modos transversales de vibración, no pueden tener una sección de diámetro mayor de 1/3 de la longitud de onda. Esto hace además que su impedancia de radiación en aire (que es proporcional a la superficie radiante y a la densidad del medio) sea baja y, consecuentemente, también lo sea su rendimiento electroacústico por lo que se han utilizado generalmente para radiación en agua [E. Neppiras, The pre-stressed piezoelectric sandwich transducer, Ultrasonic International 1973 Conf. Proc. pp. 295-302, J. A. Gallego -Juárez, "Piezoelectric ceramics and ultrasonic transducers", J. Phys. E. Sci. Instrum Vo. 22, pp. 804-816, 1989]. Los intentos para aumentar la superficie de radiación han dado lugar a los transductores con radiadores en forma de placa vibrando flexionalmente [K. Matsuzawa, "Ultrasonic transducers with flexurally vibrating diaphragms for use in air" I and II, Japanese Journal of Applied Physics vo.9 n° 3 and 9, pp. 235-45 and 1167-71, 1970]. El problema es que estos sistemas presentan muy escasa concentración de energía, debido a la cancelación de fase que se produce como consecuencia de las zonas que vibran en contrafase. Los generadores macrosónicos con radiadores de placa que presentan una solución más adecuada a la concentración de energía son los de placa escalonada [J. A. Gallego -Juárez et al. "Equipo electroacústico para la generación de altas intensidades sónicas y ultrasónicas en gases e interfases" Patente española n° 8903371, 1989]. En estos generadores, el elemento radiante es una placa vibrando a flexión, pero que, en lugar de ser plana, presenta un perfil discontinuo. El diseño del perfil se obtiene desplazando las zonas internodales para poner en fase la radiación. Así se han conseguido radiadores de placa con perfil discontinuo en sus dos caras de modo que por una cara generan campos coherentes y por la otra campos focalizados. (Figura 1) Sin embargo, estos generadores, que son de propósito general, presentan ciertas dificultades para su utilización en la desespumación industrial. En concreto tienen limitaciones en la capacidad de potencia y su estructura con un perfil para campos directivos, carece de utilidad específica para la desespumación industrial. Además el sistema de control de la frecuencia de resonancia empleado en estos generadores no dispone de la estabilidad necesaria para los tratamientos industriales. De hecho el sistema reivindicado en la patente mencionada [J. A. Gallego-Juárez et al. "Equipo electroacústico para la generación de altas intensidades sónicas y ultrasónicas en gases e interfases" Patente española n° 8903371, 1989] está basado en osciladores de tipo analógico, constituidos por un amplificador de potencia realimentado a partir del propio transductor ultrasónico mediante un circuito puente sintonizado, un defasador, un limitador y un filtro; o bien mediante seguimiento de la frecuencia de resonancia del emisor mediante un lazo enclavado en fase (PLL). Estos sistemas presentan un comportamiento bastante crítico, sobre todo en los instantes iniciales de la emisión, en los que el dispositivo transductor se encuentra totalmente frío, requiriendo además la utilización de componentes de precisión y varios puntos de ajuste, que han de ser ajustados individualmente para cada emisor ultrasónico que se conecte. Otro problema es que con la variación de las condiciones de trabajo del transductor la potencia emitida puede variar apreciablemente, con la consiguiente pérdida de efectividad del sistema o sobrecarga del mismo. Estos problemas obligan a que el generador tenga que ser ajustado, cada vez que se pone en marcha, por un operador humano especializado y, además, vigilado permanentemente por si disminuye la potencia de emisión.
Por todo ello, estos generadores resultan claramente insuficientes para su aplicación a la desespumación en condiciones industriales. Se requiere ampliar la capacidad de potencia del dispositivo transductor, simplificar su estructura e introducir una electrónica más estable y precisa.
El problema de la limitación en la capacidad de potencia proviene de que la distribución de amplitudes de vibración en las zonas internodales no es homogénea sino que existen máximos y mínimos de amplitud y la diferencia entre ellos es considerable (Figura 2). Esto es un factor limitativo determinante ya que, para una superficie radiante dada, la capacidad de potencia está determinada por las máximas tensiones que se puedan alcanzar sin que la placa vibrante llegue a su límite de fatiga. En el caso de una distribución poco homogénea de las amplitudes de vibración, el desplazamiento límite podría alcanzarse en un punto de máxima amplitud, para potencias aplicadas relativamente bajas. Para placas realizadas en aleaciones de titanio, que es un material de alta resistencia a la fatiga, el límite de tensión máxima esta fijado en aproximadamente 200 MPa. Esto significa que con la distribución de desplazamientos de la Fig. 2 el máximo desplazamiento sería de 48,6 mieras. Se puede mejorar esta distribución de desplazamientos, y por tanto ampliar la capacidad de potencia de estos radiadores, mediante una redistribución de las masas de la placa. Así se ha diseñado un nuevo tipo de radiador que, además de incorporar por su cara radiante el perfil requerido para la generación de un campo acústico focalizado, necesario para la desespumación, presenta en su cara no -radiante un perfil que viene determinado por la redistribución de las amplitudes de vibración. La configuración de este perfil se lleva a cabo con los siguientes objetivos: aumentar las amplitudes de los desplazamientos de las zonas internodales periféricas, que suponen la mayor parte de la superficie de radiación y, al mismo tiempo, disminuir los desplazamientos de las zonas internodales centrales. Para conseguir esto se modifica el perfil de la cara no -radiante con el siguiente criterio: el espesor de los escalones situados en las zonas internodales periféricas se adelgaza mientras que el de las zonas centrales se mantiene o, se modifica ligeramente. Estas modificaciones se llevan a cabo controlando, mediante una modelización por elementos finitos, que la máxima tensión mecánica se mantenga siempre dentro de las zonas periféricas.
Con una placa realizada según estos criterios (Figura 3) se consigue una distribución de las amplitudes de vibración que, como se aprecia en la Figura 4 aumenta las amplitudes en las zonas internodales periféricas, lo que, teniendo en cuenta que la potencia es función del cuadrado de la amplitud, supone un notable incremento en la capacidad de potencia. De hecho el radiador de la Figura 3 diseñado con estos nuevos criterios para la misma frecuencia (21 kHz) que el radiador de la Figura 1 (diseñado según [J. A. Gallego -Juárez et al. "Equipo electroacústico para la generación de altas intensidades sónicas y ultrasónicas en gases e interfases" Patente española n° 8903371, 1989]) presenta una capacidad de potencia de casi 600W (frente a 490 W del modelo anterior) (Figura 5). Esta mejora se consigue además con una superficie radiante un 23% menor, ya que para mantener la frecuencia y el modo de vibración, se ha disminuido el diámetro. Teniendo en cuenta que la capacidad de potencia es proporcional a la superficie de radiación, si comparásemos dos placas de la misma superficie, diseñadas según [J. A. Gallego -Juárez et al. "Equipo electroacústico para la generación de altas intensidades sónicas y ultrasónicas en gases e interfases" Patente española n° 8903371, 1989] y según la presente invención, el aumento de la capacidad de potencia de la segunda sobre la primera sería del orden de 50%, para igual superficie. Así pues con la presente invención, se logra no sólo un aumento de capacidad de potencia del radiador sino también una disminución de su volumen (lo que implica un menor coste de material de titanio generalmente empleado) y una simplificación en sus perfiles facilitando su mecanización. En la Figura 6 se presenta un esquema del transductor macrosónico con el radiador según la presente invención.
Por lo que se refiere al sistema electrónico de generación objeto de la presente patente (Figura 7) introduce un nuevo procedimiento para el seguimiento de la frecuencia de la resonancia del emisor y para el mantenimiento constante de la potencia que no precisa la asistencia de un operador humano. El procedimiento está basado en la inclusión de un microcontrolador en el lazo de control del transductor que mantiene en todo momento, de forma automática, las condiciones óptimas de emisión.
Este método presenta una serie de ventajas sobre los comentados anteriormente: a) No es preciso ajustar los parámetros del generador manualmente cada vez que se enciende, pudiendo ser puesto en marcha por cualquier persona sin especialización. b) El funcionamiento del sistema en el punto de resonancia resulta muy estable, adaptándose fielmente a los cambios de frecuencia de resonancia e impedancia eléctrica provocados por variaciones de las características del medio en el que radia el emisor, y las derivas por envejecimiento del sistema, no requiriendo ninguna vigilancia durante el tiempo de funcionamiento. c) No es preciso realizar ningún ajuste cada vez que se cambia el transductor, pues el generador se adapta automáticamente a las características de cada transductor individual. d) La realización del dispositivo electrónico no necesita la utilización de componentes de alta precisión. e) Aumenta la Habilidad y longevidad del sistema completo, al disponer de una mayor protección y un mejor control. f) Dispone de capacidad de supervisión y telemetría a distancia, permitiendo rutinas automatizadas de mantenimiento. g) Se adapta a entornos industriales con duras condiciones ambientales.
Tal como se expone en el diagrama de bloques de la Fig. 7, el sistema generador consta de las etapas fundamentales siguientes:
1) Una reactancia de compensación Ll de la capacidad parásita del transductor.
2) Un transformador Tl de adaptación de impedancias, que reduce la impedancia del transductor a la de la impedancia característica de la línea de transmisión descrita en el párrafo siguiente.
3) Una línea de transmisión común Cl , para unir el conjunto de transductor, transformador Tl y reactancia Ll con el conjunto de amplificador y sistema de control.
4) Un transformador de impedancias T2 que adapta la impedancia característica de la línea de transmisión Cl, a la impedancia de salida del amplificador de potencia descrito en el párrafo siguiente.
5) Un amplificador de potencia Al, adecuado para suministrar la potencia necesaria al transductor. 6) Un canal para la toma de una muestra de la señal de corriente en el secundario del trasformador T2.
7) Un canal para la toma de una muestra de la tensión aplicada a la línea de transmisión Cl. 8) El conjunto de procesadores analógicos de señal PGAl, PGA2, PGA3, El, E2, DCl, DC2, MUl, MU2, amplifican con diferentes valores de ganancia (PGAl, PGA2, PGA3) señales eléctricas, en diferentes tramos del proceso para extraer de las muestras de tensión y corriente su característica de valor eficaz (El, E2), cruces por cero de la señal (DCl, DC2), u obtener resultados de la multiplicación (MUl, MU2, MU3) de las mismas.
9) Un circuito PLL (Phase Looked Loop) para la generación de la señal excitadora del amplificador de potencia, con una frecuencia igual a la frecuencia de resonancia del transductor.
10) La unidad de voltaje programable, UVl y el sumador SMl analógico, para la corrección de frecuencia y fase.
11) El conversor analógico/digital ADl, multiplexor Ml.
12) Un procesador Pl, para realizar operaciones de medida de las condiciones de trabajo, control de estabilidad de fase, potencia y banda de frecuencias de trabajo, supervisión del sistema completo electroacústico, monitorización de variables y parámetros, así como de comunicación con ordenadores, o dispositivos, remotos.
13) Una interfase de comunicaciones II, para conectar el microprocesador Ml a un ordenador remoto.
A continuación se describe individualmente el funcionamiento de cada una de estas etapas así como su interrelación:
1) La reactancia de compensación Ll resuena a la frecuencia de trabajo del transductor con la capacidad eléctrica parásita del transductor, compensando el defasaje perjudicial que ésta podría introducir.
2) El transformador Tl es de banda mucho más ancha que el margen de frecuencia de resonancia en que se mueve el transductor, introduciendo un defasaje despreciable. La relación de transformación es tal que la impedancia que presenta el primario está adaptada a la impedancia característica de la línea de transmisión, cuando está cargado con el transductor frío.
3) La línea de transmisión Cl, es apantallada para evitar la emisión de interferencias, que puede ser del tipo coaxial, o bien del tipo bifilar con pantalla, su impedancia característica puede variar entre 50 Ω y 300 Ω. Dependiendo de la aplicación puede ser necesario que transductor y equipo principal estén muy alejados entre sí, y por tanto la línea de transmisión puede ser muy larga, lo que obliga a que las impedancias terminales en sus extremos estén adaptadas.
4) El transformador de impedancias T2 es de banda mucho más ancha que el margen de frecuencia de resonancia en que se mueve el transductor, introduciendo un defasaje despreciable. La relación de transformación es tal que la impedancia que presenta el secundario está adaptada a la impedancia característica de la línea de transmisión, cuando está excitado por el amplificador de potencia.
5) El amplificador de potencia Al es capaz de entregar una potencia apropiada a cada aplicación a la frecuencia de trabajo del transductor. Su diseño es común y puede ser adquirido en el mercado. Ha de ser capaz de funcionar ininterrumpidamente a la máxima potencia nominal.
6) El canal para la toma de una muestra de la señal de corriente en la carga, está formado por la resistencia Rl que se encuentra en serie con la carga del amplificador y que es de valor muy inferior a la impedancia característica de la línea Cl , de manera que no modifica apreciablemente la impedancia de carga y la tensión, que aparece en sus Bornes, es proporcional a la intensidad de corriente en la línea. La señal obtenida sirve tanto para el control de frecuencia como para el control de potencia.
7) El canal para la toma de una muestra de la tensión de la tensión aplicada a la línea de transmisión Cl está formado por una divisor de tensión que toma una pequeña fracción de ésta, construido con las resistencias R2 y R3. La señal obtenida sirve tanto para el control de frecuencia como para el control de potencia. 8) Conjunto de procesadores de señal
PGAl, PGA2, PGA3 amplificadores programables, controlables desde el procesador, PGAl amplifica la muestra de tensión, PGA2 la de corriente, PG A3 la señal de excitación al amplificador PA. suministran, mediante la modificación de su ganancia, controlable digitalmente, el nivel dinámico adecuado para minimizar errores en el proceso.
El, E2, obtienen el valor eficaz de la señal eléctrica asociada a la muestra de tensión (El) y de corriente (E2) lo cual posibilita extraer parámetros ulteriores como el módulo de la impedancia, o no sobrepasar la máxima corriente admisible por el transductor. DCl, DC2, son los extractores de cruces por cero de las muestras de tensión y corriente, respectivamente, básicamente recortan la señal de entrada, justo a su paso por el valor cero, de manera, que su salida únicamente presenta a su salida dos estados, "0" o "1", dependiendo que la señal quede por encima o por debajo de este valor, esto proporciona un valor disparo a partir del cual se puede medir una fase de referencia, y con ello la diferencia de fase entre tensión y corriente, lo cual es útil, como medida y como señal de error, para el lazo de realimentación de regulación de fase mediante el circuito PLL.
MUl, MU2, MU3 son circuitos multiplicadores. El funcionamiento de MUl queda descrito en el párrafo del PLL. MU2 se emplea como comparador de fase, tras integrar su salida, mediante R7 y C3, obtenemos el desfase ente tensión y corriente. MU3 se encarga de obtener la potencia eléctrica, a partir de las consabidas muestras de tensión y corriente como producto de ellas, integración a través de R5 y C2 y posterior escalado. Es interesante hacer constar que el uso de PGAl y PGA2 delante de MU3 tiene por objeto aumentar el rango dinámico y la resolución del conversor ADl que incrementa notablemente sus prestaciones, tanto como (bits de resolución PGAl) x(bits de resolución PGA2), lo cual permite realizar, a bajo costo, sistemas de medida de potencia de precisión.
9) El circuito PLL (Phase Looked Loop) es de tipo común. Está integrado por un VCO (Voltaje controlled oscillator), un multiplicador de cuatro cuadrantes actuando como comparador de fase Ml y un filtro paso bajo, formado por la resistencia R6 y el condensador C3. El VCO tiene dos salidas, una de forma de onda cuadrada para atacar al comparador de fase y otra de forma de onda sinusoidal para atacar al amplificador, ambas salidas están desfasadas en π/2 radianes. La otra entrada de comparador de fase es la señal de muestra de corriente de salida. El comparador de fase es un multiplicador de cuatro cuadrantes, de forma que el PLL se engancha en la frecuencia a la que la diferencia de fase entre las dos entradas sea π/2, como la diferencia de fase entre las dos salidas del VCO es también π/2 resulta que se mantendrá a la frecuencia a la que la fase en que la tensión y la corriente a la salida del amplificador de potencia es O. La frecuencia central de trabajo del VCO se regula mediante la resistencia R4 y el condensador Cl. La salida del VCO presenta una forma de onda compatible con el transductor, normalmente del tipo sinusoidal, cuya amplitud viene controlada digitalmente por PG A3.
10) Puesto que la respuesta del transductor presenta diferentes resonancias hemos de situar la zona de trabajo en un modo de resonancia donde el mismo presente el máximo rendimiento. La unidad de voltaje programable, UVl, produce una tensión eléctrica, comandada desde el procesador. El sumador SMl añade este voltaje al error de lectura de fase del lazo de control primario del PLL, de manera que podemos alterar la fase y frecuencia del VCO, puesto que conocemos aquella -como anteriormente comentamos- y la frecuencia, obtenida mediante un procedimiento de cuenta de pulsos, durante un tiempo conocido, mediante la entrada DF. Esto permite establecer un lazo de control y desplazando el margen de captura del PLL en la zona de frecuencias que deseemos, y por lo tanto, procediendo al seguimiento de fase en la banda de frecuencias de resonancia que deseemos.
11) El conversor ADl, junto al multiplexor Ml de cuatro entradas: VV, VI, VW, VF, para la conversión numérica de los valores de tensión eficaz, corriente eficaz, potencia y fase, respectivamente, de manera que estas puedan ser adquiridas por el procesador, a fin de que alimenten las variables de entrada en los diferentes algoritmos. La resolución en bits de ADl queda magnificada por el empleo de PGAl y PGA2, amplificadores controlados digitalmente, que, tal y como comentemos anteriormente, amplían notablemente su dinámica. 12) El procesador Pl es de tipo general y puede ser un microcontrolador, o un microprocesador, o un procesador de señales, o una FPGA o cualquier otro capaz de realizar operaciones en tiempo real a gran velocidad. Cumple las siguientes funciones: a) Medida y cálculo de parámetros fundamentales del Transductor:
• Medida de la magnitud de la tensión aplicada a la línea Ll.
• Medida de la magnitud de la corriente en la línea Ll y cálculo de la fase de esta con respecto a la tensión.
• Medida de la potencia instantánea entregada al transductor. • Cálculo de la impedancia del transductor en módulo y fase a partir de las medidas de tensión y corriente anteriores. b) Mantenimiento de lazos de control y estabilidad de: Fase, margen de frecuencia, y potencia. c) Supervisión, vigilancia y monitorizado del sistema: Estado del amplificador PA, Estado del Transductor, márgenes de: excitación, corriente, impedancia, modos de resonancias en frecuencias perjudiciales para el transductor. Algoritmos para solucionar los diferentes eventos, estrategias para evitar fallos catastróficos. d) Puesta en marcha desde frío, arranque suave. e) Algoritmos de búsqueda de resonancia, caracterizando el transductor en uso, haciendo un barrido en un margen de frecuencia adecuado y gradual, que cubra todas las posibles frecuencias de trabajo de los transductores usuales, registrando la impedancia del transductor en módulo y fase. A partir de esta medición se determina la frecuencia de trabajo óptima del transductor en base a un conjunto de parámetros como: Márgenes de frecuencia donde han de encontrarse las resonancias, Rango de impedancias permisibles, Rango de fase óptima y de búsqueda, nivel de excitación durante la búsqueda y estrategias de búsqueda en función del desplazamiento de frecuencia respecto la frecuencia de resonancia previsible, búsqueda: Gruesa, media y fina. f) Manejo de menús de visualización de datos, introducción y memorizado de parámetros desde teclado. g) Manejo de procedimiento de comunicaciones con el exterior (Pc y otros dispositivos) permite la monitorización exterior de datos, parámetros y estado interno y el envío de comandos que modifican las condiciones de funcionamiento del transductor como: potencia de trabajo, frecuencia de trabajo, nivel de excitación en voltios.
13) La interfase de comunicaciones Il es del tipo estándar para comunicar ordenadores entre sí. Puede ser de lazo de corriente, o bien de tensión tal como la RS232 o la RS485 o cualquier otra interfase de comunicación entre ordenadores adecuada para transmitir a la distancia existente entre el equipo electrónico y el ordenador remoto que lo controle.
El perfil de la cara no emisora de la placa radiante se diseña adelgazando el espesor de las zonas internodales periféricas y manteniendo y/o modificando ligeramente el espesor de las zonas internodales centrales de modo que la distribución de los desplazamientos máximos se homogenice maximizándose en las zonas periféricas y moderándose en las zonas centrales.
La placa radiante, para una frecuencia y modo de vibración determinado posee la máxima capacidad de potencia con mínimo volumen.
El dispositivo generador electrónico: a. Produce en cada instante una señal cuya frecuencia es igual a la óptima del sistema de transducción, corrigiendo automáticamente el valor de dicha frecuencia para adaptarlo al deslizamiento que pueda producirse en la frecuencia de resonancia del emisor, b. Produce en cada instante una señal cuya potencia es constante e igual a la potencia de consigna prefijada en el momento de su configuración, corrigiendo automáticamente el valor de la excitación de voltaje del transductor para adaptarlo a la variación de las condiciones de trabajo del mismo, c. Funciona automáticamente de forma autónoma sin necesidad de la intervención de un operador especializado, d. Funciona de forma óptima con cualquier transductor que se le conecte, independientemente de sus características concretas de frecuencia de resonancia, ancho de banda y resistencia eléctrica, sin ser necesario reajustar los parámetros del sistema. e. Recuerda las características del último transductor que se le conectó y detecta automáticamente si el transductor conectado actualmente tiene las mismas características que el anterior, procediendo en caso contrario a la caracterización completa del nuevo transductor, f. Una vez realizada la caracterización completa de un nuevo transductor, inicia automáticamente su excitación a la frecuencia óptima del nuevo transductor y a la potencia prefijada, g. En el caso de una variación drástica en las condiciones del entorno de trabajo del transductor que hagan cambiar totalmente sus características, procede de forma automática a la caracterización completa del transductor como si de uno nuevo se tratase, h. Puede ser vigilado, a través de una interfase de comunicaciones, por un ordenador remoto, tanto para registrar los parámetros del transductor como la condiciones de trabajo, i. Puede ser comandado, a través de una interfase de comunicaciones, por un ordenador remoto, para variar la potencia, excitación eléctrica, y frecuencia de trabajo del transductor, o para pararlo, o ponerlo en marcha, o incluso para iniciar una operación caracterización completa del transductor al que se encuentre conectado, así como los diferentes parámetros de funcionamiento y seguridad, j. Puede ser vigilado o comandado, a través de una interfase de comunicaciones, por un ordenador remoto, utilizando una línea de datos compartida con otros equipos idénticos que a su vez pueden ser vigilados o comandados, k. Incluye un circuito PLL (Phase looked loop) integrado por un oscilador controlado por voltaje, un multiplicador de cuatro cuadrantes actuando como comparador de fase y un filtro paso bajo, con tres lazos de control, implementados mediante un procesador, uno para controlar la potencia de salida, otro para controlar la banda de frecuencia de trabajo y otro para controlar la fase entre corriente y tensión de salida. 1. Supervisa y vigila el sistema conjunto Generador electrónico de excitación -
Transductor ultrasónico de acuerdo a un conjunto de parámetros tales como: rango de impedancia de trabajo, rango de frecuencias de trabajo, desfasaje máximo admisible, mínimo desfasaje obtenible, máxima corriente, máxima excitación, modo excitación o potencia constante, nivel de excitación durante la caracterización, estado de la tensión de alimentación, adoptando diferentes estrategias para obtener el máximo rendimiento energético, m. Protege el sistema en su conjunto evitando el funcionamiento en condiciones extremas, o excesivamente desfavorables, para el transductor, que aún pudiendo funcionar puntualmente en ellas, puede ver comprometida su longevidad, afectando, por tanto, la fiabilidad conjunta.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un generador macrosónico por vía aérea para la rotura mecánica de las burbujas de alta consistencia que constituyen las espumas industriales, caracterizado porque consiste en un transductor electroacústico de potencia y un dispositivo generador electrónico para la excitación controlada del mismo. El transductor electroacústico se caracteriza por constar de un elemento de transducción, piezoeléctrico o magnetostrictivo vibrando extensionalmente, que actúa como excitador de un radiador en forma de placa con un perfil discontinuo específicamente diseñado para maximizar la capacidad de potencia en la generación de campos acústicos focalizados, y/o reducir el peso del radiador de titanio. El generador electrónico se caracteriza porque introduce un dispositivo y procedimiento para el control y seguimiento de la frecuencia de resonancia del transductor y para el mantenimiento constante de la potencia suministrada al mismo.
2. Un generador macrosónico por vía aérea según la reivindicación 1 caracterizado porque el radiador es una placa de gran área de espesor no homogéneo que vibra en uno de sus modos flexionales.
3. Un generador macrosónico por vía aérea según las reivindaciones 1 y 2 caracterizado porque el perfil de la cara emisora de la placa radiante se diseña par obtener campos focalizados desplazando relativamente las zonas internodales de modo que la distancia de estas zonas al foco haga que la radiación llegue en fase.
4. Un generador macrosónico por vía aérea según las reivindaciones 1, 2 y 3 caracterizado porque el perfil de la cara no emisora de la placa radiante se diseña adelgazando el espesor de las zonas internodales periféricas y manteniendo y/o modificando ligeramente el espesor de las zonas internodales centrales de modo que la distribución de los desplazamientos máximos se homogenice maximizándose en las zonas periféricas y moderándose en las zonas centrales.
5. Un generador macrosónico por vía aérea según las reivindaciones 1, 2, 3 y 4 caracterizado porque la placa radiante, para una frecuencia y modo de vibración determinado posee la máxima capacidad de potencia con mínimo volumen.
6. Un generador macrosónico por vía aérea según reivindicaciones 1, 2, 3 , 4 y 5, caracterizado porque el dispositivo generador electrónico produce en cada instante una señal cuya frecuencia es igual a la óptima del sistema de transducción, corrigiendo automáticamente el valor de dicha frecuencia para adaptarlo al deslizamiento que pueda producirse en la frecuencia de resonancia del emisor.
7. Un generador macrosónico por vía aérea según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5 y 6, caracterizado porque el dispositivo generador electrónico produce en cada instante una señal cuya potencia es constante e igual a la potencia de consigna prefijada en el momento de su configuración, corrigiendo automáticamente el valor de la excitación de voltaje del transductor para adaptarlo a la variación de las condiciones de trabajo del mismo.
8. Un generador macrosónico por vía aérea según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7, caracterizado porque el dispositivo generador electrónico funciona automáticamente de forma autónoma sin necesidad de la intervención de un operador especializado.
9. Un generador macrosónico por vía aérea según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8, caracterizado porque el dispositivo generador electrónico funciona de forma óptima con cualquier transductor que se le conecte, independientemente de sus características concretas de frecuencia de resonancia, ancho de banda y resistencia eléctrica, sin ser necesario reajustar los parámetros del sistema.
10. Un generador macrosónico por vía aérea según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8 caracterizado porque el dispositivo generador electrónico recuerda las características del último transductor que se le conectó y detecta automáticamente si el transductor conectado actualmente tiene las mismas características que el anterior, procediendo en caso contrario a la caracterización completa del nuevo transductor.
11. Un generador macrosónico por vía aérea según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 , 9 y 10, caracterizado porque el dispositivo generador electrónico, una vez realizada la caracterización completa de un nuevo transductor, inicia automáticamente su excitación a la frecuencia óptima del nuevo transductor y a la potencia prefijada.
12. Un generador macrosónico por vía aérea según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 11, caracterizado porque el dispositivo generador electrónico en el caso de una variación drástica en las condiciones del entorno de trabajo del transductor que hagan cambiar totalmente sus características, procede de forma automática a la caracterización completa del transductor como si de uno nuevo se tratase.
13. Un generador macrosónico por vía aérea según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 , 11 y 12, caracterizado porque el dispositivo generador electrónico puede ser vigilado, a través de una interfase de comunicaciones, por un ordenador remoto, tanto para registrar los parámetros del transductor como la condiciones de trabajo.
14. Un generador macrosónico por vía aérea según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 , 12 y 13, caracterizado porque el dispositivo generador electrónico puede ser comandado, a través de una interfase de comunicaciones, por un ordenador remoto, para variar la potencia, excitación eléctrica, y frecuencia de trabajo del transductor, o para pararlo, o ponerlo en marcha, o incluso para iniciar una operación caracterización completa del transductor al que se encuentre conectado, así como los diferentes parámetros de funcionamiento y seguridad.
15. Un generador macrosónico por vía aérea según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 y 14, caracterizado porque el dispositivo generador electrónico puede ser vigilado o comandado, a través de una interfase de comunicaciones, por un ordenador remoto, utilizando una línea de datos compartida con otros equipos idénticos que a su vez pueden ser vigilados o comandados.
16. Un generador macrosónico por vía aérea según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 , 14 y 15, caracterizado porque el dispositivo generador electrónico incluye un circuito PLL (Phase looked loop) integrado por un oscilador controlado por voltaje, un multiplicador de cuatro cuadrantes actuando como comparador de fase y un filtro paso bajo, con tres lazos de control, implementados mediante un procesador, uno para controlar la potencia de salida, otro para controlar la banda de frecuencia de trabajo y otro para controlar la fase entre corriente y tensión de salida.
17. Un generador macrosónico por vía aérea según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 , 15 y 16, caracterizado porque supervisa y vigila el sistema conjunto Generador electrónico de excitación - Transductor ultrasónico de acuerdo a un conjunto de parámetros tales como: rango de impedancia de trabajo, rango de frecuencias de trabajo, desfasaje máximo admisible, mínimo desfasaje obtenible, máxima corriente, máxima excitación, modo excitación o potencia constante, nivel de excitación durante la caracterización, estado de la tensión de alimentación, adoptando diferentes estrategias para obtener el máximo rendimiento energético. Asimismo, protege el sistema en su conjunto evitando el funcionamiento en condiciones extremas, o excesivamente desfavorables, para el transductor, que aún pudiendo funcionar puntualmente en ellas, puede ver comprometida su longevidad, afectando, por tanto, la fiabilidad conjunta.
PCT/ES2005/070113 2005-07-27 2005-07-27 Generador macrosónico para la desespumación industrial de líquidos por vía aérea WO2007012676A1 (es)

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