1.2.2 Технические методы построения уз генераторов

Существующее УЗ технологическое оборудование различной мощности, степени сложности и назначения, базируется на общих принципах работы и сходно по своей структуре.

На рисунке 6 представлена структурная схема УЗ технологического аппарата, который состоит из сетевого источника питания, транзисторного усилителя (инвертора), задающего генератора УЗ частоты, устройства контроля и управления, устройства согласования, УЗКС – УЗ колебательной системы (пьезопреобразователя и концентратора), технологической среды.

Рисунок 6 – Структурная схема ультразвукового генератора

УЗ электронные генераторы - предназначены для преобразования тока промышленной частоты в ток высокой частоты и применяются для питания электроакустических преобразователей. В настоящее время УЗ генераторы выполняются на полупроводниковых приборах – транзисторах и тиристорах. Применение тиристорных инверторов ограничено из-за низких частотных свойств тиристоров и сложности схемы управления. Наиболее широко в настоящее время применяются УЗ генераторы на транзисторах. Так как параметры транзисторов непрерывно улучшаются, они являются наиболее перспективными приборами и для новых разработок УЗ генераторов.

По схемному решению генераторы могут быть с независимым возбуждением, с самовозбуждением, с электрической или акустической автоподстройкой частоты.

По своим техническим возможностям УЗ аппараты могут быть универсального применения и специализированные. Универсальные рассчитаны на работу с различными технологическими средами, допускают широкую вариацию выходных параметров (мощности, частоты, напряжения и т.п.) и условий согласования с нагрузкой. Специализированные аппараты рассчитаны на питание одной или нескольких определенных нагрузок. Эти генераторы имеют неизменяемые выходные параметры (рабочую частоту, выходную мощность и т.д.). Универсальные генераторы предназначены для использования в лабораториях, на опытных производствах, для питания устройств, где не происходит изменения параметров технологического воздействия. При применении в массовом производстве, где выходные параметры генератора остаются неизменными, предпочтительны специализированные ультразвуковые аппараты.

Характеристики аппаратов, как электрические, так и неэлектрические обусловлены, характеристиками ультразвуковой технологической установки, в состав которой они входят.

Наличие взаимного влияния параметров среды и преобразователя приводит к влиянию параметров технологической среды на электрические параметры УЗ колебательных систем и электронных генераторов. Это объясняется тем, что УЗ колебательная система, являясь частью технологического аппарата, одновременно входит в состав генератора электрических колебаний, являясь его электрической нагрузкой. УЗ колебательная система представляет собой электромеханическую резонансную систему, к главным характеристикам которой относятся резонансная частота и добротность. Параметры такой системы очень чувствительны к влиянию на неё различных факторов. В связи с этим любое воздействие на колебательную систему изменяет её основные характеристики, что приводит к изменению параметров генератора. Таким образом, на работу генератора электрических колебаний УЗ частоты оказывает влияние изменение параметров колебательной системы.

Ультразвуковая колебательная система (УЗКС) представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование энергии электрических колебаний, поступающих от генератора, в упругие колебания резонансной колебательной системы и ввод сформированных колебаний в обрабатываемые технологические среды. УЗКС является основным узлом любого технологического аппарата, поскольку обеспечивает не только формирование УЗ колебаний, но и их усиление до величин, необходимых для реализации различных процессов при помощи резонансных концентраторов, а также ввод усиленных УЗ колебаний в технологические среды через различные по площади и форме излучающей поверхности рабочие инструменты.

УЗКС технологического назначения состоит из пьезоэлектрических элементов 4, отражающей накладки 4, концентратора 5, рабочего инструмента 6 с излучающей поверхностью (Рис. 7)[7].

1 – корпус; 2 – опора; 3 – отражающая металлическая накладка; 4 – пьезоэлектрические элементы; 5 – излучающая накладка - концентратор; 6 – рабочий инструмент; l₁ – длина цилиндрического участка отражающей накладки с пьезоэлементами; l_z – длина участка переменного сечения (радиальный переход); l₂ – длина излучающего цилиндрического участка концентратора.)

Рисунок 7 – Конструктивная схема полуволновой ультразвуковой колебательной системы.

Важнейшей характеристикой колебательной системы является резонансная частота, так как при работе на резонансной частоте достигаются наибольшие значения колебательных смещений и скоростей, определяющих эффективность процесса. Рабочая частота, или диапазон частот, устанавливается в зависимости от рабочих частот УЗ установок.