DE4322388C2 - Schaltungsanordnung zum sicheren Anschwingen von Ultraschalldesintegratoren - Google Patents

Schaltungsanordnung zum sicheren Anschwingen von Ultraschalldesintegratoren

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Anschwingen von Ultraschalldesintegratoren und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bekannte Steuerschaltungen von Ultraschalldesintegra­ toren arbeiten mit einer konstanten Arbeitsfrequenz, die mit dem mechanischen Schwingsystem des Ultra­ schallwandlers abgestimmt und nur in einem engen Frequenzbereich funktionsfähig ist. Ein Ultraschall­ desintegrator besteht dabei aus einem HF-Generator, der die elektrische Netzleistung in HF-Leistung umwandelt und aus einem Schallwandler, der in Verbindung mit einem als λ/2-Schwinger ausgeführten Amplitudenverstärker und mit einer Sonotrode mechanische Longitudinalschwingungen hoher Leistung mit großen Amplituden erzeugt.
Im Gegensatz zu Ultraschallreinigungsgeräten können Ultraschalldesintegratoren, insbesondere in der Laborgerätetechnik, auch zum Zerkleinern bzw. Zertrümmern kleinster fester Bestandteile in flüssigen Medien eingesetzt werden, um z. B. zu homogenisieren und feinste Emulsionen aus schwer mischbaren Stoffen herzustellen.
In der DE 32 22 425 A1 wird ein Generator zum Antrieb eines Piezoresonators beschrieben. Ein sicheres An­ schwingen des Generators soll auch dann gewährleistet sein, wenn die Schwingfrequenz des Resonators herabge­ setzt ist. Zum Zwecke des sicheren Anschwingens wird die Frequenz der dem Schallwandler zugeführten Signale um die Resonanzfrequenz des Wandlers herum solange periodisch verändert, bis die Rückkopplungsamplitude einen bestimmten Wert überschreitet. Nachteilig ist es u. a., daß die Schaltung auf die Resonanzsollfrequenz des Ultraschallschwingers abgestimmt sein muß, so daß der Betrieb des Ultraschallschwingers den Änderungen von Parametern des Ultraschallschwingers nicht nachge­ führt werden kann.
In der EP 0 340 470 A1 wird eine Schaltung zur Anre­ gung eines Ultraschallschwingers beschrieben, welche die Anregungsfrequenz entsprechend den Veränderungen von Parametern des Ultraschallschwingers nachführt. Dazu wird eine der Dämpfung des Ultraschallschwingers entsprechende Meßgröße gebildet und mit einem vorbe­ stimmten Schwellenwert verglichen, der einer vorbe­ stimmten höchstzulässigen Dämpfung entspricht. Wenn die Dämpfung des Ultraschallschwingers kleiner als die höchstzulässige Dämpfung ist, dann wird die Steuer­ spannung zusätzlich in Abhängigkeit von der Meßgröße geregelt.
In der DE 32 15 748 A1 sind Suchlaufstufen in Ver­ bindung mit Ultraschallwandlern beschrieben, wobei ein Taktgenerator dann eingeschaltet wird, wenn keine Resonanzbedingung vorliegt. Der Taktgenerator lädt auf oder entlädt einen den Suchlauf steuernden Konden­ sator, wobei bei Resonanz die am Speicherkondensator anliegende Spannung zur Konstanthaltung der Frequenz verwendet wird.
Es ist des weiteren aus der DE- Z "radio mentor" 4/1965, S. 280/281, eine Ultraschall-Schweißanlage bekannt, die einen Generator enthält, welcher mit einer automatischen Frequenzregelung ausgestattet ist. Dafür wird vom Schwinger über einen piezo-elektrischen Abnehmer eine Spannung abgeleitet, die der Schwinger­ amplitude proportional ist. Die auf das Schweißgut übertragene Leistung kann damit während der Schweiß­ zeit konstant gehalten werden.
Der enge Frequenzbereich, in dem die Ultraschall­ wandler funktionsfähig sind, führt dazu, daß unter­ schiedliche Sonotrodentypen, die in ihren geome­ trischen Abmessungen stark variieren, schlecht mit einem einzigen Generator betrieben werden können, abgenutzte Sonotroden frühzeitig gewechselt werden müssen und eine hohe Fertigungsgenauigkeit für die Sonotroden verlangt werden muß.
Die Nachteile des Standes der Technik bestehen auch darin, daß große Änderungen der mechanischen Resonanzfrequenz, wie sie durch Fertigungstoleranzen, bei Kavitationsabnutzung der Sonotroden, bei thermischer Längenänderung der Sonotroden oder bei Montagefehlern auftreten können, dazu führen können, daß die Wandler nicht anschwingen und die Leistungs­ endstufe für die Ansteuerung der Ultraschallwandler überlastet oder gar zerstört wird.
Von daher ist es Aufgabe der Erfindung, diese Mängel zu beseitigen und ein Verfahren und eine Schaltungs­ anordnung zu entwickeln, mit der weitgehend unabhängig von Abweichungen der mechanischen Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers von der Sollfrequenz, z. B. durch Kavitationsabtrag an der Sonotrode bzw. durch ther­ mische Längenausdehnung oder sonstige Parameter, ein sicheres Anschwingen von Ultraschalldesintegratoren gewährleistet wird.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kenn­ zeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 8. Das erfindungsgemäße Durchfahren eines weiten Frequenz­ bandes des HF-Generators, beispielsweise zwischen 22 kHz und 26 kHz, und die gleichzeitige Überwachung der Rückkopplungsamplitude sowie der daraus abgelei­ teten Signale zum weiteren Betrieb des HF-Generators in Verbindung mit einem Start/Stop-Generator, welcher den Ausgang des HF-Generators periodisch sperrt, gewährleisten, daß unterschiedliche Sonotrodentypen mit einem HF-Generator längere Zeit als bisher betrie­ ben werden können und daß die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen für die Sonotroden geringer sein dürfen. Es wird auch bei größeren Änderungen der mechanischen Resonanzfrequenz des mechanischen Ultra­ schallwandlers durch die unterschiedlichsten Ursachen, wie Fertigungstoleranzen, Abnutzungen, thermisch bedingte Veränderungen, ein zuverlässiges Anschwingen des Ultraschallwandlers gewährleistet und eine Über­ lastung oder Zerstörung der Leistungsendstufe für die Ansteuerung der Ultraschallwandler sicher vermieden. Auch das fehlerhafte Ankoppeln einer Sonotrode oder das völlige Fehlen der Sonotrode führen nicht zu einer Zerstörung oder Überlastung der verwendeten elektro­ nischen Schaltung.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Fig. 1 zeigt das Blockschalt­ bild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Der in der Fig. 1 dargestellte HF-Generator 1 erzeugt elektrische Impulse, die mit einem Leistungsschalter 2, wie z. B. einer Treiberstufe oder eines Schalt­ wandlers, verstärkt werden und die einen Ultraschall­ wandler 3 zu mechanischen Schwingungen anregen. Stimmt die Frequenz des HF-Generators 1 mit der mechanischen Schwingfrequenz der Sonotrode des Ultraschallwandlers 3 überein, so liegt Resonanz vor und der Ultraschall­ wandler 3 arbeitet in seinem Normalbetrieb. Eine Piezo-Scheibe 4 ist mechanisch fest mit dem Ultra­ schallwandler 3 verbunden und wandelt die mechanischen Schwingungen in eine proportionale elektrische Spannung um. Diese Spannung dient als Rückkopplungs­ signal und wirkt einerseits auf die interne Frequenz­ regelung des HF-Generators 1 und wird weiter zur Auswertung des Anschwingens des Ultraschallwandlers 3 benutzt.
Der Spitzenwert der vom Rückkopplungselement, hier der Piezo-Scheibe 4, abgegebenen Rückkopplungsspannung wird mit Hilfe einer ersten Diode 5 und einem ersten Kondensator 6 gleichgerichtet und dem Komparator 7 als Eingangssignal zugeführt. Ist die Spannung am ersten Kondensator 6 zu gering, so schaltet der Komparator 7 einen Start/Stop-Generator 8 ein. Dieser gibt Impulse mit niederer Frequenz an den HF-Generator 1 und schaltet diesen aus oder wieder ein. Ein High-Signal am Eingang E des HF-Generators 1 bewirkt, daß keine HF-Impulse an den Leistungsschalter 2 gegeben werden und somit der Ultraschallwandler 3 nicht erregt wird.
Die Frequenz des HF-Generators 1 wird durch einen Steuerstrom IS beeinflußt. Steigt der Steuerstrom IS, so sinkt die Frequenz des HF-Generators 1 und umgekehrt.
Ein hohes Potential am Ausgang des Start/Stop- Generators 8 lädt einen zweiten Kondensator 10 über eine zweite Diode 9 auf. Über einen Widerstand 11 und eine dritte Diode 12 fließt der Steuerstrom IS und die Frequenz des HF-Generators 1 wird abgesenkt.
Wechselt das Potential am Ausgang des Start/Stop- Generators 8 auf ein niedriges Potential, so werden die HF-Impulse des HF-Generators 1 zum Leistungs­ schalter 2 durchgeschaltet und der Ultraschallwandler 3 wird mit einer niedrigen Frequenz erregt. Die zweite Diode 9 ist gesperrt und der zweite Kondensator 10 entlädt sich über den Widerstand 11 und über die dritte Diode 12 durch den Steuerstrom IS nach einer e-Funktion. Der abfallende Steuerstrom IS bewirkt ein Ansteigen der Frequenz des HF-Generators 1.
Stimmen die Schwingfrequenz des HF-Generators 1 und die Frequenz des Ultraschallwandlers 3 überein, steigt die Amplitude der Rückkopplungsspannung stark an. Der Komparator 7 schaltet jetzt den Start/Stop-Generator 8 ab und der HF-Generator 1 regelt intern die Frequenz des Ultraschallwandlers 3.
Bezugszeichenliste
1 HF-Generator
2 Leistungsschalter
3 Ultraschallwandler
4 Piezo-Scheibe
5 erste Diode
6 erster Kondensator
7 Komparator
8 Start/Stop-Generator
9 zweite Diode
10 zweiter Kondensator
11 Widerstand
12 dritte Diode
IS Steuerstrom
E Eingang

Claims (8)

1. Verfahren zum sicheren Anschwingen von Ultraschall­ desintegratoren mit einem HF-Generator mit Fre­ quenzregelschaltung und mit einem Leistungsschalter für die Ansteuerung von Ultraschallwandlern mit an­ gekoppelter Sonotrode und mit einer Piezo-Keramik­ scheibe als Spannungsquelle für ein Rückkopplungs­ signal, dadurch gekennzeichnet, daß ein Start/Stop-Generator (8) den Ausgang des HF-Ge­ nerators (1) nach dem Durchfahren eines weiten Fre­ quenzbandes des HF-Generators (1) diesen periodisch sperrt und die Sperrung für eine festgelegte Tot­ zeit beibehält, wenn die für ein sicheres An­ schwingen notwendige Rückkopplungsamplitude der an dem Ultraschallwandler (3) angeordneten Piezo- Scheibe (4) nicht erreicht wird, und danach den Startvorgang solange wiederholt, bis innerhalb der Entladezeit eines Kondensators (10) die Rückkopp­ lungsamplitude den für ein sicheres Anschwingen notwendigen Wert erreicht hat und in der Folge die interne Regelung der Arbeitsfrequenz einsetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Komparator (7) den Spitzenwert der Rückkopplungsamplitude auswertet und bei Unterschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes ein Steuersignal abgibt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Start/Stop-Generator (8) automatisch Start/Stop-Impulse erzeugt und abschaltbar ist.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (7) bei zu geringer Rückkopplungsamplitude den Start/Stop- Generator (8) frei gibt.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Start/Stop-Generator (8) den HF-Generator (1) ein- und ausschalten kann.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Einschaltsignal die Taktfrequenz des HF-Generators (1) von einer tiefen Frequenz beginnend ansteigt und erst bei Erreichen der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers (3) die Regelung der Arbeitsfrequenz einsetzt.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Einschaltsignal die Taktfrequenz des HF-Generators 1 von einer hohen Frequenz beginnend abfällt und erst bei Erreichen der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers (3) die Regelung der Arbeitsfrequenz einsetzt.
8. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der HF-Generator (1) ausgangsseitig mit dem Leistungsschalter (2) und eingangsseitig mit dem Start/Stop-Generator (8) verbunden ist, wobei der Leistungsschalter (2) an den Ultraschall­ wandler (3) geführt ist, der eine Rückkopplung über die Piezo-Scheibe (4) aufweist, welche an einen Eingang (R) des HF-Generators (1) und/oder über eine erste Diode (5) und einen ersten Kondensator (6) an den Eingang des Komparators (7) geführt ist, welcher mit dem Eingang des Start/Stop-Generators (8) verbunden ist, und daß an einem Eingang des HF-Generators (1) ein Steuerstrom (IS) anliegt, welcher über eine zweite Diode (9), einem zweiten Kondensator (10) und einer Reihenschaltung eines Widerstandes (11) und einer dritten Diode (12) aus dem Ausgangssignal des Start/Stop-Generators (8) gebildet ist.
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