Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallzerstäubers zur Flüssigkeitszerstäubung

Abstract

 Zum Betrieb eines Ultraschallflüssigkeitszerstäubers (3), vorzugsweise mit einer Piezokeramik (4), die ge­gebenenfalls einen temperaturabhängigen Widerstand (10) aufweist, wird für den automatischen Frequenzabgleich eine Strommessung während der Zeitdauer des Burstimpul­ses t₁ nach einer Verzögerungszeit t₃ für die Zeitspanne t₄ vorgenommen. Die Summe aus der Verzögerungszeit t₃ und der Zeitspanne t₄ darf nicht größer als die Burst­zeit t₁ sein.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbe­griff des Patentanspruches 1.

[0002] Es ist ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschall­schwingers zur Flüssigkeitszerstäubung bekannt, wobei die elektrische Leistung zeitlich getaktet zugeführt wird und die zugeführte Leistung im Mittel für die ein­gestellte Flüssigkeitsmenge ausreichend ist, während die jeweilige Spitzenleistung so hoch bemessen ist, daß eine kurzfristig an Flüssigkeit zuviel zugeführte Menge abgeschüttelt werden kann (DE-OS 33 14 609). Zum Be­trieb von Ultraschallflüssigkeitszerstäubern ist der Ultraschallschwinger manuell auf seine Grundbetriebs­frequenz abzustimmen und es lassen sich die mit Ferti­gungstoleranzen behafteten Ultraschallzerstäuber, die beispielsweise unterschiedliche Arbeitsfrequenzen auf­weisen, nicht ohne Abgleich austauschen.

[0003] Weitere Verfahren erlauben zwar einen Betrieb mit auto­matischem Frequenzabgleich jedoch ohne eine zeitlich getaktete elektrische Leistung und nur mit mangelhafter Betriebssicherheit hinsichtlich der Abschüttlung eines Flüssigkeitstropfens und/oder bestimmten Betriebspunktes. Ferner können bei den bekannten Ausführungen bei Änderungen der Umgebungstemperatur sowie der Schwingertemperatur durch Eigenerwärmung diese Schaltungen aufgrund ihrer geringen Nachstimmbandbreite keinen sicheren Zerstäuberbetrieb garantieren.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es einen Ultraschallflüssig­keitszerstäuber zu konzipieren, der eine sichere Zer­stäubung mit kontinuierlich automatischer Frequenz­nachstimmung und automatischer Abschüttlung eines über­flutenden Zerstäubertellers ermöglicht. Ferner sollen eine geringe Leistungsaufnahme der Elektronik, eine niedrige Temperaturbelastung und eine hohe Zerstäubungs­rate gewährleistet werden. Eine automatische Temperatur­überwachung soll integriert sein.

[0005] Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach dem Oberbe­griff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß mit Hilfe der Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen ge­hen aus den Unteransprüchen hervor.

[0006] Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden eine sichere Zerstäubung bei geringer Leistungsaufnahme der Elektronik und eine niedrigere Temperaturbelastung des Ultraschallzerstäubers erreicht. Es wird ein schnel­les Finden der optimalen Arbeitsfrequenz des Ultra­schallzerstäubers erreicht, da nur ein vorgegebener Fre­quenzbereich, in dem die Arbeitsfrequenz des Ultraschall­flüssigkeitszerstäubers liegt, durchlaufen werden muß. Ferner wird die Betriebssicherheit erhöht, da ein Einra­sten auf einer anderen Frequenz, z.B. der Verbundreso­nanzfrequenz des Ultraschallzerstäubers, was zur Zerstö­rung des Ultraschallzerstäubers führen würde, bei der erfindungsgemäßen Ausführung nicht eintritt.

[0007] Der Ultraschallzerstäuber wird mit einem Burst angeregt, dessen Impulsdauer t₁ beträgt. Er schwingt mit der Zeit­ dauer t₂ frei aus, bevor der nächste Burst folgt (FIG 3). Mit einer Strommeßschaltung wird der Strom durch die Endstufe proportional dem Strom durch den Ultraschall­zerstäuber erfaßt und in eine Spannung umgesetzt - siehe FIG 1. Um Fehlmessungen, beispielsweise durch Ein­schwingvorgänge zu vermeiden, wird ein Teil t₃ des stromportionalen Signals ausgeblendet und danach für kurze Zeit der Strom t₄ gemessen und dieser Wert in einem Meßwertspeicher abgelegt (FIG 1, FIG 3 und FIG 4).

[0008] In der Pause zwischen zwei Burstsignalen t₂ wird dieser Meßwert von Speicher I in Speicher II (FIG 4) übergeben. Bei dem auf diese Pause folgenden Burst t₁ wird der dann vom Meßwertspeicher I neu aufgenommene Strommeßwert durch einen Vergleicher mit dem im Meßwertspeicher II abgelegten, vorhergehenden Strommeßwert verglichen (FIG 4).

[0009] Ist die Differenz der im Meßwertspeicher II und Meßwert­speicher I stehenden Strommeßwerte kleiner als der ein­gestellte untere Schwellwert, so wird die Frequenz um jeweils einen Schritt pro Burst erhöht. Dies kann der Fall sein bei der Inbetriebnahme der Schaltung, wenn die optimale Betriebsfrequenz gesucht wird.

[0010] Ist die Differenz der Strommeßwerte größer als der ein­gestellte obere Schwellwert, so wird die Frequenz um einen Schritt pro Burst erniedrigt.

[0011] Liegt die Differenz der Strommeßwerte innerhalb des Schwellwertbereiches, so wird die Frequenzsuchrichtung beibehalten, die beim vorhergehenden Burst maßgebend war.

[0012] Um Arbeitsfrequenzänderungen des Ultraschallschwingers in Richtung tieferer Frequenz, hervorgerufen durch Ände­rungen der Umgebungstemperatur bzw. durch Eigenerwär­mung, schneller ausregeln zu können, wird nach einer bestimmten Zeitdauer t₇ die Arbeitsfrequenz der Elektro­nik zwangsweise um einen Schritt erniedrigt (FIG 4).

[0013] Die Erfindung ist durch die Abhängigkeit des Stromes durch die Endstufe (proportional dem Strom durch den Ultraschallschwinger) nach Aufbereitung durch die Elek­tronik in Abhängigkeit von der Frequenz veranschaulicht. FIG 2 zeigt besonders deutlich den erfindungsgemäßen Effekt, wonach die Arbeitsfrequenz des Ultraschallzer­stäubers sehr schnell gefunden werden kann und es keine Rolle spielt, ob dieser gedämpft (überfluteter Zerstäu­berteller) oder frei schwingt. Die Suchrichtung geht da­bei von tiefen zu hohen Frequenzen. Ferner geht der Über­gang des Zerstäubers vom stark gedämpften (überfluteten) in den schwach bedämpften (zerstäubenden) Zustand - ver­bunden mit einer Erhöhung der Arbeitsfrequenz des Ultra­schallzerstäubers - ebenfalls sehr schnell vonstatten. Ein weiterer Vorteil ist, daß nach dem Finden der opti­malen Zerstäuberarbeitsfrequenz die Schaltung eng um den optimalen Arbeitspunkt pendelt. In den Bereichen "A" außerhalb der optimalen Arbeitspunkte wird durch entsprechende Schaltungsmaßnahmen ein konstanter Strom­meßwert vorgegeben, damit die Schaltung schnell auf der Arbeitsfrequenz des Ultraschallzerstäubers ein­rasten kann.

[0014] Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zum Betrieb eines piezoelektrischen Ultraschallzer­stäubers mit einer Piezokeramik und einem Amplituden­ transformator mit einem Zerstäuberteller (siehe FIG 5). Um eine Zerstörung des Ultraschallflüssigkeitszer­stäubers durch Übertemperatur zu vermeiden, beispiels­weise durch Trockenlaufen, ist es vorteilhaft auf die Ke­ramik des Ultraschallzerstäubers einen temperaturabhängi­gen Widerstand aufzubringen (FIG 6). Falls z.B. durch Trockenlaufen eine unzulässig hohe Temperatur am Ultra­schallzerstäuber entstehen würde, schaltet die Elektro­nik die Endstufe solange ab, bis der Ultraschallzer­stäuber wieder auf zulässige Temperaturen abgekühlt ist.

[0015] Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Ultra­schallflüssigkeitszerstäuber sind besonders geeignet für die Zerstäubung von Kraftstoff, wie Dieselöl, Benzin, für Brenner, Motoren, Generatoren und Standheizungen, für Kosmetika, wie Haarspray, Deodorants und Parfüms, für Reinigungsmittel, Medikamente zu Inhalationszwecken, Lö­sungsmitteln und Wasser, beispielsweise in Luftbefeuch­ter, Kleinklimakammern, Klimaanlagen und Terrarien sowie für den Einsatz in Anlagen zur Beschichtung, Befeuchtung und Klimatisierung. Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit besonderem Vorteil eingesetzt zum Betrieb eines piezoelektrischen Ultraschallzerstäubers mit einer Piezo­keramik und einem Amplitudentransformator mit einem Zerstäuberteller und Anregungselektronik.

[0016] Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich­nung verwiesen. Es zeigen

FIG 1 ein Diagramm des Stromverlaufs nach der Aufbe­reitung durch die Elektronik.

FIG 2 ein Diagramm für die Abhängigkeit des Stromes durch die Endstufe.

FIG 3 die zeitliche Signalfolge in der Elektronik.

FIG 4 ein Blockschaltbild für die Elektronik.

FIG 5 einen Ultraschallflüssigkeitszerstäuber im Schnitt.

FIG 6 einen auf einen Ultraschallflüssigkeitszerstäuber im Schnitt mit aufgebrachtem temperaturabhängigen Wider­stand.

[0017] In FIG 1 ist auf der Ordinate der durch den Strom ver­ursachte Spannungsabfall aufgetragen, während auf der Abszisse die Zeit dargestellt ist. Während der Zeit­dauer t₃ findet keine Messung statt. Gemessen wird während der Zeitdauer t₄ . Die Zeitdauer des Burstsignals ist t₁ .

[0018] In FIG 2 ist auf der Ordinate der Spannungsabfall an einem Widerstand, verursacht durch den Strom durch die Endstufe dargestellt, während auf der Abszisse die Frequenz aufgetragen ist, wobei f₁ die Frequenz bzw. der Arbeitspunkt des mit Flüssigkeit überfluteten bzw. bedämpften Flüssigkeitszerstäubers ist, während f₂ der Arbeitspunkt bzw. die Frequenz des unbedämpf­ten Flüssigkeitszerstäubers ist. Der Bereich A stellt den nicht für die Zerstäubung nutzbaren Frequenzbereich dar.

[0019] In FIG 3 ist die genaue Schaltungsbeschreibung aufge­tragen, wobei a die Zeitdauer t₁ für die Einschaltzeit und t₂ die Zeitdauer für die Ausschaltzeit des Burst­impulses darstellen. In b ist die Verzögerungszeitdauer t₃, während der nicht gemessen wird, eingezeichnet. c stellt die im Anschluß nach t₃ folgende Strommeßzeit t₄ dar. In d und e ist die Übernahme des Meßwertes des Stro­mes vom Meßwertspeicher I nach dem Meßwertspeicher II dargestellt. Die Zeit t₅ der Zählimpulse folgt im Anschluß an das Burstsignal. Nach Abschluß von t₅ erfolgt die Meßwertübernahme vom Meßwertspeicher I nach Meßwertspei­cher II innerhalb der Zeit t₆.

[0020] In FIG 4 ist ein Blockschaltbild einer Anregungselek­tronik gemäß der Erfindung dargestellt. In diesem sind mit 1 die Spannungsversorgung, mit 12 ein Ein-Aus-­Schalter, mit 13 die Burst- und Frequenzerzeugung, mit 14 die Vorstufe, mit 15 die Endstufe, mit 16 der Über­trager, mit 3 der Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber, mit 2 ein temperaturabhängiger Widerstand, mit 17 die Stromversorgung, mit 18 und 19 die Meßwertspule I und II, mit 20 der Meßwertvergleicher und mit 22 die Frequenz­steuerung dargestellt. Es ist zu erkennen, daß der Ultraschallflüssigkeitszerstäuber 3 über eine Vor- und Endstufe mit einem Burst angeregt wird, dessen Burst­frequenz nach dem erfindungsgemäßen Verfahren regelbar ist. Die Regelung findet über eine Strommessung zu verschiedenen Zeitpunkten und einem Vergleich von verschiedenen Strömen statt.

[0021] Zum Schutz des Zerstäuberkegels für Übertemperaturen ist ein temperaturabhängiger Widerstand 2 auf dem Ultra­schallzerstäuber 3 angebracht. Durch den temperaturab­hängigen Widerstand 2 wird bei unzulässigen Temperaturen die Elektronik abgeschaltet.

[0022] In FIG 5 ist der Ultraschallflüssigkeitszerstäuber mit einer Piezokeramik 4, dem angekoppelten Amplituden­transformator 5 und dem Zerstäuberteller 6 dargestellt. Das im Zerstäuberkegel integrierte Röhrchen 7 dient zur Flüssigkeitszufuhr. 8 ist die Anregungselektronik.

[0023] FIG 6 zeigt einen auf eine Piezokeramik 9 aufgebrach­ten temperaturabhängigen Widerstand 10. 11 ist die An­regungselektronik.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallschwingers zur Flüssigkeitszerstäubung mit automatischem Frequenz­abgleich bei zeitlich getakteter elektrischer Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß für den automatischen Frequenzabgleich eine Strommes­sung während der Zeitdauer des Burstimpulses t₁ nach einer Verzögerungszeit t₃ für eine Zeitspanne t₄ vor­genommen wird und die Summe aus der Verzögerungszeit t₃ und der Zeitspanne t₄ nicht größer als die Zeitdauer des Burstimpulses t₁ ist und daß der Bereich des auto­matischen Frequenzabgleichs so begrenzt ist, daß die Schaltung innerhalb des für die Zerstäubung nutzbaren Frequenzbandes einrastet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß der automatische Frequenz­abgleich des Ultraschallzerstäubers von der tieferen zur höheren und/oder von der höheren zur tieferen Fre­quenz durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Übernahme des Wertes während der Strommessung während einer Zeitspanne t₆ zwischen zwei aufeinanderfolgenden Burstsignalen er­folgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­kennzeichnet, daß zum Vergleich der bei­den Messungen der Stromwerte eine Schwellwertschaltung verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Stromschwellwert der Schwellwertschaltung kleiner ist als die Stromdiffe­renz, die zwischen einem bedämpften und einem unbedämpft schwingenden Zerstäuber auftritt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Schwellwert für die Strommeßwerte kleiner ist als der Differenzwert der innerhalb der Frequenzbereichsgrenzen auftritt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß ein bestimmter Arbeits­frequenzbereich vorgegeben wird und keine meßbare Stromdifferenz außerhalb des Bereiches auftritt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß nach einer Zeit t₇ die Schaltung einen Schritt entgegen der Suchrichtung läuft, ohne die Suchrichtung zu beeinflussen.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Ultraschallzer­stäuber mit einem temperaturabhängigen Widerstand ver­sehen wird.

10. Anwendung des Verfahrens nach den vorangegangenen Ansprüchen zum Betrieb eines piezoelektrischen Ultra­schallzerstäubers mit einer Piezokeramik (4) und einem Amplitudentransformator (5) mit einem Zerstäuberteller (6) und Anregungselektronik (8).

11. Piezoelektrischer Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 10 mit einem temperaturabhängigen Wider­stand (10) auf der Piezokeramik (9) und einer Anregungs­elektronik (11).

Zeichnung