(13) B1 PL B1. (51)Int.Cl.5: H03B 28/00 H03L 7/06. (73)Uprawniony z patentu: Politechnika Warszawska, Warszawa, PL

Transkrypt

1 R Z E C Z P O S P O L IT A POLSKA( 12) OPIS PATENTOWY (19) P L (11) P O L S K A (13) B1 (21)Numer zgłoszenia: U r z ą d P ate n to w y (22) D ata zgłoszenia: R ze czy p o sp o lite j Polskiej (51)Int.Cl.5: H03B 28/00 H03L 7/06 (54)Układ generatora ultradźwiękowego z automatycznym strojeniem częstotliwości (73)Uprawniony z patentu: Politechnika Warszawska, Warszawa, PL (43)Zgłoszenie ogłoszono: B U P 14/90 (72)Twórcy w ynalazku: Paweł Fabijański, Warszawa, PL Leszek Pałczyński, Warszawa, PL Andrzej Szadkowski, Warszawa, PL Jan Bisikiewicz, Olsztyn, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: W U P 06/92 PL B1 (57)1. U kład generatora ultradźw iękow ego z autom atycznym strojeniem częstotliwości, zawierający wejścia sterujące oraz wejścia zasilające, na którego wyjściu jest w łączony przetw orn ik ultradźw iękow y, znamienny tym, że posiada b lok sterowania generatora przestrajanego napięciow o (BSGPN), którego wyjście jest połączone z pierwszym wejściem generatora przestrajanego napięciow o (GPN), na drugie wejście którego jest podaw any sygnał szęstotliwości m inim alnej (fmin), zaś na trzecie wejście jest podaw any sygnał częstotliwości m aksym alnej (fmax), natom iast pierwsze wyjście generatora przestrajanego napięciowo (GPN) jest połączone z blokiem form ow ania im p u l sów (BFI), a drugie wyjście tego generatora (GPN) jest połączone z wejściem b lo k u sterow ania generatora przestrajanego napięciow o (BSGPN), zaś wyjście b lo k u fo rm o w ania im p ulsów (BFI) jest połączone z wejściem sterującym (S1,...,Sn) generatora ultrad źw ięk o wego (G). FIG.3

2 U K Ł A D G ENERATORA ULTRADŹWIĘKOWEGO Z A U T O M A T Y C Z N YM STROJENIEM CZĘSTOTLIWOŚCI Z a s t r z e ż e n i a p a t e n t o w e 1. Układ generatora ultradźwiękowego z automatycznym strojeniem częstotliwości, zawierający wejścia sterujące oraz wejścia zasilające, na którego wyjściu jest włączony przetwornik ultradźwiękowy, z n a m i e n n y t y m, że posiada blok sterowania generatora przestrajanego napięciowo (GSGPN), którego wyjście jest połączone z pierwszym wejściem generatora przestrajanego napięciowo (CPN), na drugie wejście którego jest podawany sygnał częstotliwości minimalnej (f min), zaś na trzecie wejście jest podawany sygnał częstotliwości maksymalnej (f max), natomiast pierwsze wyjście generatora przestrajanego napięciowo (GPN) jest połączone z blokiem formowania impulsów (BFI), a drugie wyjście tego generatora (GPN) jest połączone z wejściem bloku sterowania generatora przestrajanego napięciowo (BSGPN), zaś wyjście bloku formowania impulsów (BFI) jest połączone z wejściem sterującym (S1,...,Sn) generatora ultradźwiękowego (G). 2. Układ generatora ultradźwiękowego z automatycznym strojeniem częstotliwości, zawierający wejście sterujące oraz wejście zasilające, na wyjściu którego włączony jest przetwornik ultradźwiękowy, z n a m i e n n y t y m, że posiada blok pomiaru wielkości elektrycznych (BPWE), połączony z wejściem bloku śledzenia wartości ekstremalnej (BSWE), wyjście którego jest połączone, poprzez b lok sterowania generatora przestrajanego napięciowo (BSGPN), z pierwszym wejściem generatora przestrajanego napięciowo (GPN), na którego drugie wejście jest podawany sygnał częstotliwości minimalnej (f min), zaś na trzecie wejście jest podawany sygnał częstotliwości maksymalnej (f max), natomiast wyjścia generatora przestrajanego napięciowo (GPN) jest połączone z blokiem formowania impulsów (BFI), którego wyjście jest połączone z wejściem sterującym (51,...,Sn) generatora ultradźwiękowego (G). 3. Układ według zastrz. 1, z n a m i e n n y t y m, że blok pomiaru wielkości elektrycznych (BPWE) stanowi blok pomiaru prądu (BPP) włączony w obwód przetwornika ultradźwiękowego (Pu). 4. Układ według zastrz. 2, z n a m i e n n y t y m, że blok pomiaru wielkości elektrycznych (BPWE), włączony w obwód przetwornika ultradźwiękowego (Pu), stanowi blok pomiaru napięcia (BPN). 5. Układ według zastrz. 2, z n a m i e n n y t y m, że blok pomiaru wielkości elektrycznych (BPWE) stanowi blok pomiaru mocy (BPM) włączony w obwód przetwornika ultradźwiękowego (Pu). 6. Układ według zastrz. 2, z n a m i e n n y t y m, ze blok pomiaru wielkości elektrycznych (BPWE), stanowi blok pomiaru prądu (BPPZ) włączony do wejścia zasilającego generatora ultradźwiękowego (G). * * * Przedmiotem wynalazku jest układ generatora ultradźwiękowego z automatycznym strojeniem częstotliwości, stosowany zwłaszcza w urządzeniach do mycia technologicznego. 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. 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.

3

4 W układach dużej mocy stosowane są sprężenia zwrotne pojemnościowe, indukcyjne, piezoelektryczne, magnetostrykcyjne lub z transformatorem różnicowym. 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. 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. W ukłdzie sprzężenia magnetostrykcyjnego, w uzwojeniu nawiniętym na elemencie o właściwościach magnetostrykcyjnych indukowana jest s.em., zależna od amplitudy drgań przetwornika. 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. Wadą takich 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. 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. 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. 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. 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. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, który na fig.1a przedstawia generator ultradźwiękowy w postaci blokowej, zaś na fig. 1 b - schemat blokowy układu sterującego generatora ultradźwiękowego, natomiast na fig. 2a inny generator w wejściu zasilającym, zaś na fig. 2b - inny generator ultradźwiękowy z blokiem pomiaru prądu włączonym w obwód przetwornika ultradźwiękowego, a na fig. 2c -inny generator ultradźwiękowy z blokiem pomiaru napięcia, natomiast na fig. 2d - inny generator ultradźwiękowy z blokiem pomiaru mocy, zaś na fig. 3 - schemat blokowy układu sterującego innego generatora ultradźwiękowego.

5 Generator ultradźwiękowy G, pokazany na fi g. 1a zasilany jest z sieci prądu przemiennego o napięciu Us. Ha wyjściu generatora G włączony jest przetwornik ultradźwiękowy Pu, który stanowi przetwornik piezoelektryczny. Na wejście sterujące S1,...,Sn generatora G są podawane sygnały z, pokazanego na fig. 1b bloku formowania impulsów BFI, które sterują półprzewodnikowymi elementami mocy generatora G. Sygnały na wejściach S1,...,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 BSGPN 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. W pokazanym na fig. 2a, 2b, 2c, 2d, 3 innym układzie generatora ultradźwiękowego G na wejście sterujące S1,...,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 S 1,...,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 3SGPN 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. 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. 2c, albo mierzona jest moc, poprzez blok pomiaru mocy BPM, jak pokazano na fig. 2d. Pomiar wielkości elektrycznej może być dokonany również poprzez pomiar prądu Iz za pomocą bloku BPZ włączonego na wejściu zasilającym generatora G,pokazanym na fig. 2a.

6 FIG.1a FIG.1b FIG.2a FIG.2b FIG.2c FIG. 2d Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 5000 zł.