Элементы оборудования ультразвуковых установок.

На рис. 17.1 показана наиболее распро­страненная схема генерирования УЗ. Рассмотрим от­дельные элементы этой схемы.

Генераторы ультразвуковой частоты (ультразвуковые генераторы) —это устройства, предназначенные для пре­образования электрической энергии переменного тока промышленной частоты в электрическую энергию пере­менного тока высокой частоты, равной частоте УЗ. Уль­тразвуковые генераторы (УЗГ) в зависимости от типа преобразовательного устройства делятся на машинные, ламповые и полупроводниковые (транзисторные и тиристорные).

Рис. 17.1. Блок-схема генерирования ультразвука:

1 — генератор ультразвуковой частоты; 2 — электроакустический преобразователь; 3 — акустический трансформатор.

УЗГ в основном выполняют на полупроводни­ковых приборах, причем чаще всего на транзисторах . Принципиальные электрические схемы УЗГ

сходны со схемами высокочастотных установок для ди­электрического нагрева.

Электроакустические преобразователи — это устрой­ства, преобразующие электрическую энергию перемен­ного тока в энергию колебаний твердого тела (стержня, пластинки и т. п.). Из электроакустических преобразова­телей наиболее распространены магнитострикционные и пьезоэлектрические.

Магнитострикционные преобразователи. Если стержень из ферромагнитного материала по­местить в направленное вдоль него магнитное поле, то длина стержня изменится, причем в зависимости от материала стержень может как укоротиться, так и удли­ниться. Это явление называется пря­мым магнитострикционным эффек­том. Существует и обратный магнитострикционный эффект: изменение намагниченности ферромагнетика при его деформации. Прямой магнитострикционный эффект исполь­зуется в излучателях УЗ, а обратный-УЗ.

На основе уравнений магнитострикционного эффекта с использованием метода электромеханических аналогий составляют схемы замещения магнитострикционных преобразователей. Вывод этих уравнений основан на рассмотрении магнитострикционного преобразователя как системы с распределенными параметрами. В окончательном виде эти уравнения выглядят так:

; (17.1)

; (17.2)

W= ρс — волновое сопротивление материала пакета (здесь ρ – плотность, г/м³; с — скорость распространения звука, м/с); s— площадь поперечного сечения пакета, м²; k = ω/с — волновое число (здесь ω —угловая скорость, с^-1); l — амплитудное значение механических колебаний, м; ξ₁ и ξ₂— колебательные скорости кон­цов стержней, м/с; z₁ и z₂ — суммарные механические сопротивле­ния на концах стержней; α_м/(ωn) — коэффициент электромеханиче­ской связи пакета (здесь п — число витков на стержне пакета); U— электрическое напряжение на обмотке преобразователя; В; -Ws/(sin kl) и Ws tg(kl/2) — реактивные сопротивления активных стержней пакета (разный знак они имеют потому, что одно из них эквивалентно колеблющейся массе, а другое — упругости). Протекающий по обмотке преобразователя ток

I = U/ (jωL) – j(ξ₁ + ξ₂)α_М /(ωn).

Первый член в правой части этого уравнения соответствует составляющей тока, вызванной индуктивным сопротивлением преобразователя, а второй — составляющей тока, обусловленной реакци­ей механической системы и приведенной к электрическим пара­метрам схемы посредством коэффициента электромеханической связи φ = α_м/(ωn).

Входное сопротивление параллельной схемы замещения преобразователя Z=U/I также имеет две составляющих: электрическую и механическую. Входное сопротивление преобразователя является комплексной величиной с активной и реактивной составляющими: Z = R+jX. Активная составляющая входного сопротивления в по­следовательной схеме замещения

R_вх = R/{1 + [R/(2πfL_э)]²} реактивная составляющая

первую с колебательной скоростью ξ₁, вторую с ξ₂ и третью с ξ₁ + ξ₂ . Механическая часть связана с электрической посредством электромеханического трансформатора, на вторичной стороне кото­рого сумма колебательных скоростей пропорциональна току в пер­вичной обмотке.

Уравнения (17.1) и (17.2) и схема замещения (рис. 17.1) со­ставлены при условии двустороннего излучения преобразователя.

По схеме замещения можно рассчитать механические парамет­ры аналогично расчету электрических схем, но с учетом коэффи­циента электромеханической связи φ, характеризующего связь ко­леблющейся механической части системы с электрической цепью. В соответствии с первой системой электромеханических аналогий коэффициент φ/j используют при пересчете электрических напря­жений в механические усилия; jφ — пересчетный коэффициент ко­лебательных скоростей в токе, а φ² — коэффициент пересчета элек­трических сопротивлений в механические. Параметры схемы за­мещения изменяются в зависимости от конструкции и материала преобразователя.

На рисунке 17.2 показана схема двухстержневого магнитострикционного преобразователя, широко приме­няющегося в ультразвуковой технологической аппарату­ре. По обмотке преобразователя пропускают перемен­ный ток с частотой, равной частоте УЗ. Этот ток создает в сердечнике переменное магнитное поле. Под дейст­вием периодического намагничивания стержни сердечни­ка периодически изменяют свою длину, и колеблющие­ся торцы сердечника возбуждают в окружающей среде ультразвуковую волну.

Для изготовления сердечников преобразователей на­иболее широко применяют никель и пермендюр (сплав, содержащий 49 % железа, 49 % кобальта и 2 % вана­дия), обладающие высокой магнитострикцией.

Магнитострикционные преобразователи работают при сравнительно небольших частотах (до

и ПМ. Их рабочая частота равна, как правило, одному из трех стандартных значе-ний: 18, 22 и 44 кГц, потребляемая мощность составляет 0,4...4 кВт, напряжение питания—220 и 440 В. Интен­сивность ультразвука у магнитострикционных преобразо­вателей может достигать 200 кВт/м² и более.

Пьезоэлектрические преобразователи. При сжатии и растяжении в определенных направлени­ях некоторых кристаллов на их поверхности появляются электрические заряды, обусловленные поляризацией. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффек­том и используется в приемниках УЗ. Обратный пьезо­электрический эффект (деформация кристаллов под дей­ствием электрического поля) применяют в излучателях УЗ.

Пьезоэлектрические преобразователи часто выполня­ют в виде изготовленной из пьезоэлектрического матери­ала пластинки с нанесенными на ее большие грани элек­тродами. К электродам подводится переменное напряже­ние от генератора ультразвуковой частоты. При измене­нии приложенного электрического поля пластинка изме­няет толщину и излучает УЗ в окружающую среду.

В качестве пьезоэлектрических материалов использу­ют кристаллы кварца, сегнетовой соли, а также искус­ственно получаемую пьезокерамику: титанат бария и цирконат-титанат свинца.

Пьезоэлектрические преобразователи способны рабо­тать на очень высоких частотах (вплоть до десятков МГц) ввиду того, что пьезоэлектрический эффект являет­ся практически безынерционным и не связан с потерями на гистерезис. Однако они могут развивать относитель­но небольшую мощность (обычно не более сотен ватт) из-за низкой механической прочности пьезоэлектричес­ких материалов. Напряжение питания составляет 50... ...400 В для

С_М , R_МП, и является током механической ветви, частотная характеристика которого (амплитудная и фазовая) полностью повторяет частотную характеристику УЗ излучателя, если его рассматривать как механическую колебательную систему. Таким образом, новым критерием настройки электронного генератора на резонансную частоту колебательной системы является равенство нулю фазочастотной характеристики тока механической ветви.

Слабое влияние параметров газовых сред на параметры колебательной системы (в отличии, например, от жидких сред, волновое сопротивление которых на порядки изменяется при наложении УЗ полей высокой интенсивности), позволяет сделать работу систем АПЧ и систем стабилизации амплитуды колебаний излучателя более инерционными.

Предложенные новые технические решения были реализованы при создании электронных генераторов, предназначенных для питаний ультразвуковых колебательных систем для интенсификации процессов газовых средах. При мощности УЗ генератора 300 Вт и диаметре излучающего диск в 350 мм были получены ультразвуковые колебания с интенсивностью до 165 Вт. Полученные практические результаты по коагуляции туманов, твердых частиц в воздухе, гашению пены в процессе розлива пива, сушке продуктов подтвердили высокую эффективность разработанных электронных генераторов в составе оборудования.

Акустические трансформаторы предназначены для усиления колебаний магнитострикционного преобразова­теля (трансформаторы скорости) и для согласования механического сопротивления технологической нагрузки с сопротивлением пакета преобразователя (трансформа­торы сопротивления). Трансформаторы скорости назы­ваются концентраторами. Концентратор представляет собой стержень перемен­ного сечения, присоединяемый к пакету преобразователя более широким торцом. Меньший торец концентратора подводит колебания к технологической среде. Энергия концентрируется благодаря уменьшению площади сече­ния. Концентраторы могут усиливать амплитуду ультра­звуковых колебаний в 10...15 раз и доводить ее до 50мкм.