[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zur Anregung eines Ultraschallschwingers
sowie deren Verwendung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit.
[0002] Die Möglichkeit, Flüssigkeiten mit Hilfe von piezoelektrischen Ultraschallschwingern
zu zerstäuben, ist wohlbekannt. Beispielsweise sind im Aufsatz von W.-D. Drews "Flüssigkeitszerstäubung
durch Ultraschall" in "Elektronik" (1979), Heft 10, Seiten 83-90 das Prinzip dieses
Verfahrens, ein mit einem Zerstäuberteller versehener Ultraschallschwinger und eine
Schaltung zur Anregung dieses Ultraschallschwingers kurz beschrieben.
[0003] Die technische Realisierung der Zerstäubung einer Flüssigkeit mit Hilfe eines Ultraschallschwingers
wird aber durch mehrere Probleme erschwert: Da eine Zerstäubung nur in der Nähe der
Resonanz des Ultraschallschwingers (samt seinem Zerstäuberteller) möglich ist, muss
die nötige Anregungsfrequenz sehr genau eingehalten werden. Das Einrasten des Oszillators
der Anregungsschaltung auf eine Scheinresonanz, die keiner wirksamen Zerstäubung entspricht,
muss mit Sicherheit ausgeschlossen werden.
Die Anregungsschaltung muss in der Lage sein, Veränderungen der nötigen Anregungsfrequenz
als Funktion verschiedener Parameter aufzufangen. Solche Parameter sind beispielsweise
die Fertigungstoleranzen der mechanischen Komponenten des Ultraschallschwingers (insbesondere
seines Zerstäubertellers), die Variationen der mechanischen und elektrischen Kenngrössen
der zu seiner Her stellung verwendeten Piezokeramik, die Betriebstemperatur des
Ultraschallschwingers (sehr wichtig bei der Verwendung in Brennern), die Alterung
des Ultraschallschwingers, die sich darauf bildenden Ablagerungen (wie z.B. Russ
und Harze bei der Anwendung in Brennern), und auch die Fertigungs-, Justier- und sonstigen
Toleranzen in der Anregungsschaltung.
Die sichere Erkennung eines Aussetzens der Zerstäubung muss gewährleistet sein. Wenn
das Aussetzen durch am Zerstäuberteller hängenbleibende Tröpfchen verursacht wird,
muss auch ihr Abschleudern vom Zerstäuberteller gewährleistet sein
Eine praktische Anforderung an die industrielle Einsetzbarkeit ist die Austauschbarkeit
der Anregungsschaltung und des Ultraschallschwingers selbst oder gegebenenfalls dessen
Zerstäubertellers, und zwar ohne jegliche Abgleicharbeiten und ohne hohen Toleranzanforderungen
an die Ersatzteile.
[0004] Zur Erreichung des bestmöglichen Wirkungsgrades muss sich die Zerstäubungsfähigkeit
des Ultraschallschwingers bzw. dessen Zerstäubertellers selbsttätig regeln können,
ohne dass eine Bedienungsperson eingreifen und z.B. die Anregungsspannung oder das
Tastverhältnis der Ansteuerfrequenz verändern muss.
[0005] Zur Lösung dieser Probleme wurden bereits verschiedene Verfahren bzw. Schaltungen
vorgeschlagen.
[0006] In DE-3222425 wurde vorgeschlagen, den Ultraschallschwinger über ein Anpassnetzwerk
anzuregen, das unter anderem dazu bestimmt ist, das Anschwingen des Ultraschallschwingers
auf Oberwellen seiner Resonanzfrequenz zu unterdrücken. Die Gleichstromkomponente
des Resonatorstroms dient der Regelung des Anregungssstromes und die Wechselstromkomponente
des Re sonatorstroms dient der Regelung der Anregungsfrequenz, wobei ein Bandpass
nur die Frequenzkomponente auf der Resonanz-Sollfrequenz des Ultraschallschwingers
durchlässt. Bei Ausfall der Resonanz wird die Anregungsfrequenz gewobbelt, um den
Resonanzpunkt zu durchlaufen und das Wiedereinrasten zu erreichen. Nachteilig ist
bei dieser Lösung, dass die Schaltung auf den Ultraschallschwinger und insbesondere
auf seine Resonanz-Sollfrequenz abgestimmt ist, so dass der Betrieb des Ultraschallschwingers
den Änderungen einiger der vorstehend aufgeführten Parameter nicht nachgeführt werden
kann und auch die leichte Austauschbarkeit von Komponenten durch Ersatzteile nicht
gewährleistet ist. Eine zuverlässige Funktion ist beim Anschwingen vor allem unter
Last und bei sich ändernden Betriebsbedingungen nicht gewährleistet, da sich die Impedanz
und damit die Phasenbeziehungen zwischen Strom und Spannung des Ultraschallschwingers
bei Belastungsänderungen stark ändern und damit eine Nachführung der optimalen Schwingfrequenz,
abgeleitet aus Phasenbeziehungen zwischen Strom und Spannung im Ultraschallschwinger,
nicht möglich ist. Mittels einer Induktivität eine echte Kompensation der Kapazität
des Ultraschallschwingers zu erreichen, ist wegen der sich bei Belastungsänderungen
ändernden Kapazität nicht möglich.
[0007] In etwas anderer Ausbildung wurde ähnliches in US-4275363 vorgeschlagen, wobei auch
die gleichen, vorstehend erwähnten Nachteile entstehen.
[0008] In DE-3314609 wurde vorgeschlagen, den Ultraschallschwinger mit getakteter Anregungsleistung
("Bursts") unter Verwendung von jeweils verschiedenen Werten der Anregungsleistung
zu betreiben. Nachteilig ist dabei, dass für den Frequenzabgleich und die Steuerung
der Anregungsleistung nicht das Resonanzverhalten des Ultraschallschwingers, sondern
das freie Abklingen seiner Schwingung herangezogen werden, was grundsätzlich keine
mit dem Istzustand linear variierende Werte liefern kann.
[0009] In etwas anderer Ausbildung wurde ähnliches in DE-3401735 vorgeschlagen, wobei auch
die gleichen, vorstehend erwähnten Nachteile entstehen.
[0010] In DE-3534853 wurde vorgeschlagen, den Ultraschallschwinger mit getakteter Anregungsleistung
("Bursts") zu betreiben und für den automatischen Frequenzabgleich eine Strommessung
zu und während ganz bestimmten Zeiten vorzunehmen. Nachteilig und insbesondere kostspielig
ist dabei die nötige Zwischenspeicherung des Wertes der Strommessung sowie die genaue
Synchronisation der Mess- und Steuerabläufe.
[0011] Aufgabe der Erfindung ist es, die vorangehend erwähnten Nachteile auf kostengünstige
Weise zu überwinden.
[0012] Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Eine Schaltung
zur Ausführung dieses Verfahrens ist im Anspruch 4 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen
des erfindungsgemässen Verfahrens und der erfindungsgemässen Schaltung ergeben sich
aus den abhängigen Ansprüchen.
[0013] Im nachstehenden wird ein Beispiel einer Ausbildung der Erfindung anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemässen Schaltung zur Anregung eines Ultraschallschwingers,
und
Fig. 2 den Verlauf der Spannung an einem in Fig. 1 dargestellten Strommesswiderstand
als Funktion der Anregungsfrequenz des Ultraschallschwingers.
[0014] Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung zur Anregung eines Ultraschallschwingers umfasst
einen Ultraschallschwinger 1, dessen an sich bekannter Zerstäuberteller nicht dargestellt
ist. Der Ultraschallschwinger 1 wird über einen Transformator 2 angeregt, der eine
galvanische Trennung des Ultraschallschwingers 1 gewährleistet und gegebenenfalls
(je nach seinen Windungsverhältnissen) die Anregung mit verschiedenen Spannungswerten
der Spannungsquelle U gestattet. Zwei Transistoren 4 und 5 bilden eine Gegentakt-Endstufe
der Schaltung, sie schalten wechselseitig die Spannungsquelle U auf je eine Hälfe
der Primärwicklung des Transformators 2 durch. Der Anregungsstromkreis wird über einen
Strommesswiderstand 18 geschlossen. Ein Kondensator 3 führt die Stromänderungen direkt
von den Transistoren 4 und 5 auf die Spannungsquelle U zurück und bewirkt dadurch,
dass der am Strommesswiderstand 18 auftretende Spannungsabfall V einen Gleichspannungsanteil
aufweist, welcher der Gleichstromaufnahme der Endstufe proportional ist. Eine Treiberstufe
6 liefert die für die Transistoren 4 und 5 notwendigen phasenrichtigen Signale. Der
spannungsgesteuerte Oszillator 7 erzeugt die Frequenz f, mit welcher die Anregung
des Ultraschallschwingers 1 erfolgt.
[0015] Da die Verluste in den Transistoren 4 und 5, im Transformator 2, im Kondensator 3
sowie die durch Blindströme hervorgerufenen Verluste in der Sekundärspule des Transformators
2 (aufgrund der Schwingerkapazität) genügend klein gehalten werden können, ist der
Gleichspannungsabfall am Widerstand 18 ein direktes Mass für die vom Ultraschallschwinger
1 aufgenommene Wirkleistung. Diese ist ihrerseits ein brauchbares Mass für die Zerstäubungsleistung.
[0016] Fig. 2 zeigt den Verlauf des Gleichspannungsanteils, d.h. gegebenenfalls des zeitlichen
Mittelwerts der Spannung V am Strommesswiderstand 18, also auch den Verlauf der vom
Ultraschallschwinger 1 aufgenommenen Wirkleistung, als Funktion der Schwingungsfrequenz
f des Ultraschallschwingers 1. Auf der Abszisse sind die Schwingungsfrequenzen f und
auf der Ordinate die am Strommesswiderstand 18 gemessene Spannungen V eingetragen.
Die in Fig. 2 dargestellte Kennlinie entspricht durchaus dem gut bekannten Impedanzverlauf
(bzw. Reaktanzver lauf) eines Resonanzsystems wie das eines Piezoschwingers. Das
auf Fig. 2 erkennbare Maximum entspricht der sich aus dem bekannten Ersatzschaltbild
eines Schwingers ergebenden Serienresonanz, das erkennbare Minimum entspricht der
sich aus demselben Ersatzschaltbild ergebenden Parallelresonanz. Das Verhältnis zwischen
Maximum und Minimum wird im wesentlichen durch das Impedanzverhalten des Ultraschallschwingers
1 festgelegt. Zwischen dem Maximum und dem Minimum liegt eine abfallende Flanke
der Kennlinie, auf der beispielsweise bei einer Frequenz f₁ eine grosse, bei einer
Frequenz f₂ eine kleine Zerstäubungsleistung erhalten wird. Alle Anregungsfrequenzen,
die zu im praktischen Betrieb des Ultraschallschwingers 1 auftretenden Resonanzen
desselben führen, liegen zwischen einer unteren Grenzfrequenz f
A und einer oberen Grenzfrequenz f
B, deren Mittelwert f
M = (f
A+f
B)/2 in Nähe der maximalen Wirkleistung liegt.
[0017] Der Oszillator 7 der Fig. 1 ist ein mit handelsüblichen Bauelementen aufgebauter
spannungsgesteuerter Oszillator. Der zulässige Spannungshub an seinem Steuereingang
ist vorgegeben, der entsprechende Frequenzhub an seinem Frequenzausgang ist auf bekannte
Weise durch den Wert von am Oszillator 7 anschliessbaren, in Fig. 1 nicht dargestellten
Widerständen und/oder Kondensatoren einstellbar.
[0018] Die am Strommesswiderstand 18 abgegriffene Spannung V wird mit einer an einem Potentiometer
19 einstellbaren Spannung im Komparator 21 verglichen. Das Ausgangssignal des Komparators
21 wird mit dem aus einem Widerstand 9 und einem Kondensator 8 gebildeten RC-Glied
geglättet und dem Oszillator 7 als Steuerspannung zugeführt. Mit dem Potentiometer
19 kann somit ein definierter Betriebspunkt an einer Flanke der Kennlinie der Fig.
2 eingestellt und festgehalten werden. Der Oszillator 7, die Treiberstufe 6, die
Transistoren 4 und 5, der Kondensator 3, der Transformator 2, der Widerstand 18, der
Komparator 21, der Widerstand 9 und der Kondensator 8 bilden nämlich zusammen einen
Regler, und zusammen mit diesem Regler bildet eine Regelstrecke, die durch den Ultraschallschwinger
1 gegeben ist, einen Regelkreis.
[0019] Der Oszillator 7 ist nun so eingestellt, dass mit dem an seinem Steuereingang (also
auch am Kondensator 8) anliegenden, vom Komparator 21 erzeugbaren Steuerspannungshub
nur Frequenzen zwischen f
A und f
B, also nur in einem engen Bereich um die Serienresonanz und die Parallelresonanz herum
erzeugt werden. Es ist noch besser, wenn die erzeugbaren Frequenzen in einem Bereich
liegen, der innerhalb des Bereiches zwischen der Serienresonanz und der Parallelresonanz
liegt und deutlich kleiner ist, wie beispielsweise der Bereich zwischen f₁ und f₂.
Das Einrasten der Generatorschaltung auf zusätzliche Resonanzen, die sich durch eine
Abstimmung zwischen dem Transformator 2 und dem Ultraschallschwinger 1 ergeben können
und nicht zu einer wirksamen Zerstäubung führen, ist damit ausgeschlossen. Eine besondere
Abstimmung zwischen dem Transformator 2 und dem Ultraschallschwinger 1 ist dadurch
weder notwendig noch erwünscht, und es erübrigt sich dadurch auch der Aufwand für
einen Filter in einer Resonanzerkennungsschaltung.
[0020] Der grosse Verstärkungsfaktor am Komparator 21 ergibt im Zusammenhang mit dem davon
erzeugbaren Steuerspannungshub eine Zweipunktregelung. Diese bewirkt, dass der Ultraschallschwinger
1 nur bei einer solchen Frequenz betrieben wird, die einer vorbestimmten Soll-Wirkleistungsaufnahme
entspricht. Ausserdem ist der Betrieb des Ultraschallschwingers 1 aufgrund der Zweipunkt-Regelcharakteristik
nur bei einer der beiden Frequenzen möglich, die der Soll-Wirkleistungsaufnahme entsprechen
(z.B. auf der höherfrequenten Flanke der in Fig. 2 dargestellten Kennlinie und bei
der Frequenz f₁).
[0021] Der vorstehend definierte Regelkreis ist nun so ausgelegt, dass definierte Regelschwingungen
auftreten. Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, dass der vom Komparator 21
erzeugte Steuerspannungshub von dem aus dem Widerstand 9 und dem Kondensator 8 gebildeten
RC-Glied nur unvollständig geglättet wird. Die entsprechenden Regelschwingungen,
die sich in einem Wobbeln der Anregungsfrequenz und der Schwingungsfrequenz f des
Ultraschallschwingers 1 und folglich in einem dem Gleichspannungsanteil überlagerten
Wechselspannungsanteil in dem am Strommesswiderstand 18 auftretenden Spannungsabfall
V äussern, sind durch das Zusammenwirken des vorgenannten, aus dem Widerstand 9 und
dem Kondensator 8 gebildeten RC-Glied mit dem Strommesswiderstand 18 und dem Kondensator
3 sowie mit dem Verstärkungsfaktor am Komparator 21 und der Wirkleistungskennlinie
des Ultraschallschwingers 1 gegeben.
[0022] Da der Ultraschallschwinger 1 integraler Bestandteil des Regelkreises ist, können
dies Regelschwingungen nur dann auftreten, wenn der Ultraschallschwinger 1 die in
Fig. 2 dargestellte Kennlinie aufweist. Dies ist nur dann der Fall, wenn er ordnungsgemäss
zerstäubt. Wird er durch hängenbleibende Tröpfchen zu stark gedämpft, so kann er kein
ausgeprägtes Resonanzverhalten gemäss der in Fig. 2 dargestellten Kennlinie zeigen
und die Regelschwingungen treten nicht oder nur sehr schwach und unregelmässig auf.
[0023] Daher kann das Auftreten von definierten Regelschwingungen des Regelkreises als zuverlässiges
Kriterium für eine ordnungsgemässe Zerstäubung genommen werden. Um diese Regelschwingungen
zu erkennen, wird der Wechselspannungsanteil in dem am Strommesswiderstand 18 auftretenden
Spannungsabfall V durch einen Kondensator 17 abgekoppelt und durch einen Verstärker
16 verstärkt. Ein Gleichrichter 15 liefert eine Gleichspannung als Mass der Amplitude
der verstärkten Regelschwingungen. Ein Komparator 13 entscheidet durch Vergleich
dieser Gleichspannung mit einer durch einen Potentiometer 14 einstellbaren Sollspannung,
ob die Regelschwingungen genügend gross sind. Sind die Regelschwingungen nicht vorhanden
oder zu schwach (was z.B. auch beim Einschalten des Generators vorkommt), so wird
ein Oszillator 12, der im vorliegenden Beispiel ein Rechteck-Oszillator ist, gestartet,
so dass an seinem Ausgang wechselweise eine höhere und eine niedrigere Spannung erscheint.
Sind die Regelschwingungen jedoch genügend gross, so wird bzw. bleibt der Oszillator
12 ausgeschaltet und durch Dioden 10 und 11 vom Regelkreis abgekoppelt.
[0024] Beim Erscheinen der höheren Spannung am Ausgang des Oszillators 12 wird über die
Diode 10 und den Widerstand 30 die Steuerspannung am Steuereingang des Oszillators
7 (also auch am Kondensator 8) erhöht, so dass der Oszillator 7 nach einer durch den
Widerstand 9, den Widerstand 30 und den Kondensator 8 gegebenen Zeitkonstante die
obere Grenzfrequenz f
B erzeugt. Gleichzeitig wird die Sollstrom-Anforderung am Eingang des Komparators
21 über eine Diode 11 und einem Widerstand 31 erhöht. Damit wird ein Betriebspunkt
des Ultraschallschwingers 1 im oberen Bereich der in Fig. 2 dargestellten Kennlinie
erzwungen. Beim darauffolgenden Erscheinen der niedrigeren Spannung am Ausgang des
Oszillators 12 wird dieser über die Dioden 10 und 11 vom Regelkreis abgekoppelt. Der
Kondensator 8 entlädt sich dabei über den Widerstand 9, weil die Sollspannung am Komparator
21 zu diesem Zeitpunkt höher ist als die Ist-Spannung und daher der Komparatorausgang
die niedrigere Ausgangsspannung führt (die Sollspannung liegt am invertierenden Eingang).
Folglich sinkt die vom Oszillator 7 erzeugte Frequenz von f
B in Richtung f
A. Dabei wird die Periode des Oszillators 12 im Verhältnis zur Zeitkonstante der Entladung
des Kondensators 8 gross genug gewählt, um zu gewährleisten, dass ver volle Frequenzbereich
zwischen f
B und f
A durchlaufen wird.
[0025] Solange die Ursache der Verstimmung des Ultraschallschwingers 1 nicht behoben ist
(solange der Ultraschallschwinger 1 noch nicht auf die Anregungsfrequenz eingerastet
oder das hängengebliebene Tröpfchen noch nicht abgeschüttelt worden ist), findet
daher ein Frequenzdurchlauf zwischen f
B und f
A statt. Ist gegebenenfalls das Tröpfchen abgeschüttelt worden und wird vom Ultraschallschwinger
1 ein Resonanzverhalten gemäss der in Fig. 2 dargestellten Kennlinie erreicht oder
gegebenenfalls wiedererreicht, so erscheinen die Regelschwingungen, der Oszillator
12 wird ausgeschaltet (sein Ausgang wird auf die niedrigere Spannung gesetzt) und
durch die Dioden 10 und 11 vom Regelkreis abgekoppelt.
[0026] Eine Leistungsregelung am Ultraschallschwinger 1 erfolgt dadurch, dass die durch
die Anregungsfrequenz definierte Schwingungsfrequenz f des Ultraschallschwingers 1
zwischen der Serienresonanz und der Parallelresonanz verschoben wird. Kleinste Zerstäuberleistung
wird bei Anregung in Parallelresonanz (grosse Blindleistung, geringe Wirkleistung),
grösste Zerstäuberleistung bei Serienresonanz (kleine Blindleistung, grosse Wirkleistung)
erreicht. Zur Leistungsregelung brauchen daher weder die Anregungsspannung noch das
Tastverhältnis verändert zu werden.
[0027] Im vorstehenden ist die Erfindung im Zusammenhang mit einem Ultraschallschwinger,
insbesondere einem piezoelektrischen Ultraschallschwinger beschrieben worden, dessen
Einsatz z.B. in der Flüssigkeitszerstäubung liegt. Die Erfindung ist jedoch ebenfalls
auf andere Resonanzsysteme anwendbar, deren Resonanz in einem engen Frequenzband stattfindet
und sich dabei in Abhängigkeit von einer physikalischen Grösse stark ändert, wobei
diese Grösse möglichst genau beibehalten werden soll. Die Erfindung eignet sich also
allgemein zur Konstanthaltung einer physikalischen Grösse mittels eines Regelkreises,
der einen resonanzfähigen Körper umfasst, dessen Resonanzverhalten in einem engen
Frequenzband stark von der physikalischen Grösse beeinflusst wird und zur Detektion
der Änderungen derselben herangezogen wird.
1. Verfahren zur Anregung eines Ultraschallschwingers durch die Frequenz eines Ausgangssignals
eines spannungsgesteuerten Oszillators, wobei ein Regelkreis die Wirkleistung am Ultraschallschwinger
mittels der Anregungsfrequenz zwischen einer Serienresonanz und einer Parallelresonanz
des Ultraschallschwingers einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass am spannungsgesteuerten
Oszillator zusätzlich zu einem Regelungssignal des Regelkreises ein periodisches
Zusatzsignal dann angelegt wird, wenn im Regelkreis keine Regelschwingungen oder nur
solche auftreten, die kleiner sind als ein vorbestimmter Schwellenwert, wobei die
Periode des Zusatzsignals länger ist als die Änderungszeitkonstante des am Steuereingang
des spannungsgesteuerten Oszillators angelegten Signals und der Hub des Zusatzsignals
so bemessen ist, dass die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators einen vorbestimmten
Frequenzbereich durchläuft, dessen Mitte etwa bei der Frequenz der Serienresonanz
liegt und dessen Breite etwa zweimal den Frequenzabstand zwischen der Serienresonanz
und der Parallelresonanz beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Regelkreis allein
erzeugbare Frequenzhub des spannungsgesteuerten Oszillators kleiner ist als der Frequenzabstand
zwischen der Frequenz der zu nutzenden Resonanz und der Frequenz der nächstliegenden
Resonanz.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Regelkreis
am Ultraschallschwinger angelegte Spannung eine konstante Amplitude aufweist.
4. Schaltung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem den Ultraschallschwinger
(1) und den spannungsgesteuerten Oszillator (7) enthaltenden Regelkreis (1,18,19,21,
9,8,7,6,5,4,3,2) zur Konstanthaltung der Wirkleistungsaufnahme des Ultraschallschwingers
auf einem Sollwert (19), der in einem Komparator (21) mit der momentanen Wirkleistungsaufnahme
des Ultraschallschwingers verglichen wird, und mit einem zweiten Oszillator (12),
dessen Ausgang mit dem Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators (7) verbunden
ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Oszillator (12) so geschaltet ist, dass
er in Betrieb gesetzt wird, wenn im Regelkreis keine Regelschwingungen oder nur solche
auftreten, die kleiner sind als ein vorbestimmter Schwellenwert (14), und dessen Ausgang
zumindest über eine Diode (10) mit dem Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators
und zumindest über eine andere Diode (11) mit dem Steuereingang des Komparators (21)
verbunden ist.
5. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Zerstäubung einer Flüssigkeit durch
einen mit einem Zerstäuberteller versehenen Ultraschallschwinger.