СПОСОБ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 2023 года по МПК B08B3/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способам для ультразвуковой очистки, включающим этапы, при которых: погружают изделия в моющую жидкость, осуществляют возбуждение в ней ультразвуковых колебаний, создаваемых пьезоэлектрическим преобразователем, и может быть использовано для очистки сборочных единиц, которые могут быть выполнены из металла, пластика, керамики и прочих материалов, которые в процессе изготовления проходят через различные среды обработки.

Уровень техники

Известен способ ультразвуковой очистки изделий, заключающийся в том, что изделия погружают в моющую жидкость, создают в ней избыточное статическое давление и накладывают ультразвуковые колебания по меньшей мере двух различных частот. Чередующиеся зоны высокого, низкого давления и локальные течения позволяют остаткам загрязнений освобождаться, из участков, в которые при обычных условиях добраться невозможно. Изменение давления играет важную роль при очистке сборочных единиц. Эффективности очищения способствует частотная модуляция ультразвуковой частоты. (см. А.с. 636049 СССР, МКИ² B08B 3/12. Способ ультразвуковой очистки изделий/ Заявл. 02.07.1976, опубл. 05.12.1978).

Известно, что в 1997 г. Никитин В.А. запатентовал изобретение (RU 2141877 C1), в котором был предложен способ ультразвуковой очистки теплоагрегатов от отложений и устройство его осуществления. Изобретение относится к области ультразвукового приборостроения, может найти применение для очистки от отложений внутренних и наружных теплопередающих поверхностей, и каналов теплоагрегатов в теплоэнергетике, на судах речного транспорта и т.д. В результате использования изобретения повышается эффективность использования накопительного конденсатора, повышается надежность блока управления коммутирующими тиристорами в аварийном режиме одновременного срабатывания коммутирующих тиристоров и снижаются массогабаритные показатели. Результат достигается за счет увеличения эффективности использования однополупериодного выпрямителя и накопительного конденсатора для двух пар коммутирующих элементов путем разнесения моментов этого использования в разные периоды напряжения питающей сети, путем введения в блок управления дополнительного триггера и соединения элементов блока управления тиристорами, элементов силовой части и с помощью включения в силовую часть устройства датчиков производной тока, построенных в виде трансформаторов с сердечниками, не насыщающимися в процессе измерения тока.

Известен способ для ультразвуковой очистки (Бодров В.В. «Способ очистки изделий с использованием ультразвуковых колебаний», RU 2129921 C1). Данный способ является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату и выбран за прототип предлагаемого изобретения как способа.

Способ предназначен для ультразвуковой очистки изделий, в частности для очистки фильтров и фильтроэлементов. В моющую жидкость погружают изделия и возбуждают в ней ультразвуковые колебания различных частот, создаваемых пьезоэлектрическими преобразователями. Ультразвуковые колебания возбуждают от каждого преобразователя с девиацией частоты (отклонением от некоторого среднего значения). При этом диапазон изменения частоты выбирают, исходя из возможности получения максимального значения амплитуды колебаний каждого преобразователя. Очистку изделий обеспечивают более простыми конструктивными средствами с повышенным КПД. Способ обеспечивает более высокое качество очистки путем исключения влияния на очистку зон с критическим значением звукового давления и расширение технологических возможностей за счет более интенсивной циркуляции акустических макро и микротечений.

Основным недостатком этого и аналогичных способов ультразвуковой очистки, это схема управления и усиления ультразвуковых колебаний. Используемые компоненты не функционируют на полную мощность, тем самым пиковая мощность ультразвука не достигает пиковых значений, с помощью которых можно значительно улучшить способ очистки изделий.

Основным недостатком этого и аналогичных способов ультразвуковой очистки является невысокая эффективность очистки изделий. Это связано с тем, что что используемые компоненты не функционируют на полную мощность, тем самым пиковая мощность ультразвука не достигает пиковых значений, с помощью которых можно значительно улучшить способ очистки изделий. То есть невозможно осуществить коммутацию больших и сверхбольших токов.

Другим недостатком является наличие потерь при переключении режимов работы.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить способ для ультразвуковой очистки с использованием ультразвуковых колебаний, включающий этапы, при которых: погружают изделия в моющую жидкость, осуществляют возбуждение в ней ультразвуковых колебаний, создаваемых пьезоэлектрическим преобразователем, позволяющий обеспечить повышение эффективности очистки за счёт снижения потерь при переключении, снижения помех и улучшения обстановки электромагнитной совместимости, а также возможности коммутации больших и сверхбольших токов, с минимальными потерями при переключении, что и является поставленной задачей.

Для достижения этой цели, возбуждение ультразвуковых колебаний производят дискретными ударно резонансными импульсами, при которых мощность формируемого импульсного ультразвукового сигнала в 5-10 раз выше мощности непрерывного сигнала, при этом при формировании управляющего импульса осуществляют отрицательную обратную связь.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность улучшить параметры очистки. Становится возможным повысить ряд ключевых показателей:

• электромагнитные преобразования увеличивают импульсную мощность при ударном воздействии;

• повышается эффективность очищения масляных и твердых загрязнений на металлической поверхности;

• скорость очистки становится выше, чем у аналогичных схем управления;

• становится возможным эффективно растворять твердые элементы.

Отрицательная обратная связь является основной в способе. Важный момент, что тактирование происходит на частоте преобразования, тем самым изменения состояния происходит строго по периоду колебаний резонансного контура, а также включение и отключение происходит по его окончанию (периода). При отключении по периоду колебаний, магнитные элементы (трансформаторы), не подвергаются насыщению.

Кроме того, уровень потерь при переключении сигнала становится на 10-20% ниже, чем при применении стандартных режимов. А также становится возможна коммутация больших и сверхбольших токов, с минимальными потерями при переключении.

При формировании импульсного ультразвукового сигнала, за счет обратной отрицательной связи, силовой блок обеспечивает накопление энергии от постоянного источника питания в период отсутствия дискретного сигнала на излучение. Это позволяет аккумулировать энергию и выдавать пиковые сигналы, превосходящую мощность непрерывного сигнала от 5 до 10 раз в зависимости от заданных параметров и корректирующих сигналов, получаемых в контуре обратной связи.

Существует вариант изобретения, в котором тактирование осуществляют на частоте преобразования, тем самым обеспечивая изменение состояния строго по периоду колебаний резонансного контура, а также чтобы включение и отключение происходило по его окончанию (периода).

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность уменьшить потери электроэнергии в генерирующем контуре за счет исключения дополнительного индуктивного и реактивного сопротивления.

Наконец, существует вариант изобретения, в котором осуществляют обратную связь, которая при достижении предельного состояния по времени сигнала переходит от отрицательной в положительную, усиливая сигнал в пределах достигнутого порога по времени срабатывания.

Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность обеспечивать дополнительную мощность пикового импульса при достижении предельного состояния по времени, тем самым повышая эффективность очистки.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:

Фигура 1 - разъем XS3 (стандартное использование: цепь 1 и 3);

Фигура 2 - прохождение разрешающих сигналов/импульсов;

Фигура 3 - прохождение разрешающих сигналов/импульсов;

Фигура 4 - состояние D-триггера;

Фигура 5 - первичный запуск;

Фигура 6 - диаграмма работы схемы управления;

Фигура 7 - форма тока и напряжения в колебательном контуре. На текущем рисунке видно, что обратная связь и работа схемы управления усиливают сигнал обратной связи с каждым полупериодом.

Осуществление изобретения

Осуществление способа показано на примере работы схемы управления, которая проиллюстрирована на фигурах 1-7. Стартом работы схемы управления является подача разрешающего сигнала через разъем XS3 или от встроенного генератора на микросхеме DA6 (555 таймер), включение которого осуществляется переключателем S1. Сигнал имеет прямоугольную форму, и является низкочастотным до 1кГц. Уровень сигнала однополярный +5В. Заполнение (длительность импульса) в пределах 100 - 10000 мкс. Встроенный генератор является только показательным, может использоваться любой внешний генератор с соответствующими выходными параметрами.

В разъеме XS3 предусмотрено два варианта сигнала прямой или инверсный. Это сделано для того, чтобы можно было использовать различные активные виды логических сигналов, в зависимости от источника (генератора). В нормальном использовании задействуется только цепи 1 и 3, см. фиг. 2.

После того как разрешающий сигнал поступает на логический элемент DD3.1 (логическое 2И), данный сигнал повторяется и усиливается, тем самым разгружает линию от генератора разрешающих сигналов, а также восстанавливает форму и приводит к логическому уровню (DD3.1 используется как буфер). Далее выход логического элемента DD3.1 (2И) подключен последовательно к диоду VD11, это связано с тем, что, если будет использоваться инверсный вход разрешающего сигнала, диод препятствует попадания сигнала на выход логического элемента. Диоды VD11, 12 избавляют выходы логических элементов DD3.1 и DD2.2 от входящих сигналов (запрещено подавать напряжение на выход логического элемента, может привести к выходу его из строя).

Логический элемент DD1.1 (D триггер) служит элементом, регистрирующим превышение тока, и при срабатывании компаратора DA2 (LM311) - триггер фиксирует состояние выхода. Даже когда компаратор перестает выдавать сигнал превышения, триггер DD1.1 остается в активном состоянии, сигнализируя, что произошла регистрация превышения по току. То есть, как только сработала схема регистрации превышения тока (DA2), триггер удерживает это состояние. Разрешающий сигнал блокируется в блоке логического умножения элемента DD3.2 (2И, см. фиг. 3), тем самым запуск схемы контролируется двумя сигналами - разрешающий и отсутствие превышения по току. Сброс триггера происходит при очередном разрешающем сигнале. В течение времени действия текущего разрешающего сигнала, и срабатывании защиты по току, работа силовой части останавливается, и находится в таком состоянии до тех пор, пока не поступит очередной разрешающий сигнал.

Разрешающий сигнал, поступая на вход синхронизации DD1.1, производит его тактирование, изменение состояние происходит на частоте генератора разрешающих сигналов. Далее разрешающий сигнал поступает на элементы DD2.1, DD2.4 (инвертор - НЕ), где происходит его повторение и инверсия, фактически мы имеем сигнал в двух формах. Это требуется для синхронного отключения силовой части. Разрешающий сигнал после прохождения логического элемента DD2.1 инвертируется и поступает на вход установки состояния /s триггера DD1.2. Данный триггер аналогично триггеру DD1.1, производит запуск и остановку, но синхронизация включения и отключения происходит на частоте преобразования, так как вход тактирования C элемента DD1.2 использует цепь обратной связи по току, которая фактически повторяет колебания синусоидального тока в колебательном контуре, за ранее приводя его к логическому уровню.

Важный момент, что тактирование элемента DD1.2 (D триггер), происходит на частоте преобразования, тем самым изменения состояния происходит строго по периоду колебаний резонансного контура, а также включение и отключение происходит по его окончанию (периода). При отключении по периоду колебаний, магнитные элементы (трансформаторы), не подвергаются насыщению.

Элементы R6, C4, VD5 - обеспечивают блокирование неустойчивого состояния триггера DD1.2 (D триггер), см. фиг. 4.

После того как разрешающий сигнал достиг элемента DD1.2 (D триггер), он поступает на элементы DD3.3, 3.4 (2И). На данном этапе происходит запуск силовой части. Сигнал обратной связи отсутствует в начальный момент времени, за счет инверторов DD2.3, 2.4 - отсутствующий сигнал переводится в два состояния, прямой и инверсный. Как только разрешающий сигнал снимает блокировку логических элементов 2И DD3.3, 3.4 - драйвер DA1 выдает два сигнала в противоположной форме, которые усиливаются усилительным каскадом, и подаются на верхнее и нижнее плечо силового моста.

После того как на колебательный контур (образованный УЗ излучателем и индуктивностью) подан силовой импульс, контур совершает синусоидальные колебания на резонансной частоте. Одновременно токовый трансформатор, подключенный к разъему XS2, трансформирует резонансные колебания тока в цепь обратной связи. Проходя элементы C5, VD9, VD10 колебания приводятся в соответствующий логический уровень (не превышает напряжение 5В за счет диодной вилки VD9, VD10), цепь R7, C15 производит фильтрацию от высокочастотных колебаний выше резонансной частоты, делитель R12, 13 задает уровень напряжение близкий к порогу срабатывания логического элемента DD2.3 для минимизации временных задержек.

Пока не сработала защита по току или длится разрешающий сигнал - драйвер, усиливающий каскад и силовой мост работают на резонансной частоте.

1. Обратная связь, организованная трансформатором тока подключаемая к разъему XS2, является положительной. Резонансные колебания усиливаются по каждому полупериоду путем включения соответствующей пары силовых транзисторов. Форма сигнала обратной связи, а также форма колебаний тока имеет следующий вид (фиг. 7).

2. Отрицательная обратная связь организована на трансформаторе тока, подключенного к разъему XS4. Колебания тока трансформируются в сигнал через цепь обратной связи, проходя диодный выпрямитель VD1…VD4, который поступает на инверсный вход компаратора, в результате чего, происходит сравнение текущего уровня сигнала с уставкой делителя R1, R2, при совпадении которого происходит изменение состояние выхода компаратора, свидетельствующее о достижении токового порога, и последующего блокирования разрешающего сигнала с остановкой работы силового моста, до поступления очередного разрешающего сигнала. Отрицательная обратная связь является основной в работе схемы управления.

Промышленная применимость

Способ для ультразвуковой очистки с использованием ультразвуковых колебаний может быть осуществлен специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.

В соответствии с предложенным изобретением изготовлен опытный образец для проверки способа для ультразвуковой очистки с использованием ультразвуковых колебаний.

Испытания опытного образца показали, что в результате относительно ультразвуковой очистки получаем:

1. Импульсная мощность при ударном воздействии превышает номинальную до семи раз. Номинальная 100 Вт, импульсная 700 Вт.

2. При совмещении режимов номинального преобразования и импульсного ударного, улучшается эффективность очистки загрязнённых материалов. Устойчивые и твердые отложения ускоренно отделяются от поверхности, то же самое касается масляных пленок на поверхности металла.

3. Растворение твердых взвешенных частиц происходит быстрее.

4. В холодных растворах ударный режим ускоряет процесс растворения.

Итого, в результате относительно электромагнитного преобразования:

• Коммутация транзисторов при около нулевом токе, повышение КПД, снижение потерь при переключении, снижение помех и улучшение обстановки электромагнитной совместимости;

• Остановка преобразования строго по периоду колебаний, предотвращение насыщения магнитопроводов и трансформаторов;

• Возможность коммутации больших и сверх больших токов, с минимальными потерями при переключении.

Таким образом, за счет того, что возбуждение ультразвуковых колебаний производят дискретными ударно резонансными импульсами, при которых мощность формируемого импульсного ультразвукового сигнала в 5-10 раз выше мощности непрерывного сигнала, при этом при формировании управляющего импульса осуществляют отрицательную обратную связь и достигается заявленный технический результат, а именно: повышение эффективности очистки за счёт снижения потерь при переключении, снижения помех и улучшения обстановки электромагнитной совместимости, а также возможности коммутации больших и сверхбольших токов, с минимальными потерями при переключении.

Использование: для ультразвуковой очистки изделий. Сущность изобретения заключается в том, что погружают изделия в моющую жидкость, осуществляют возбуждение в ней ультразвуковых колебаний, создаваемых пьезоэлектрическим преобразователем, при этом совмещают номинальный и импульсный режимы преобразования при возбуждении ультразвуковых колебаний пьезоэлектрическими преобразователями, причем при формировании импульсного ультразвукового сигнала за счет обратной отрицательной связи силовой блок обеспечивает накопление энергии от постоянного источника питания в период отсутствия дискретного сигнала на излучение, что позволяет аккумулировать энергию и выдавать пиковые сигналы, при которых мощность формируемого дискретного ударно-резонансного импульсного ультразвукового сигнала в 5-10 раз выше номинальной мощности непрерывного сигнала. Технический результат: обеспечение возможности высокого качества очистки изделий. 7 ил.

Способ для ультразвуковой очистки с использованием ультразвуковых колебаний, включающий этапы, при которых погружают изделия в моющую жидкость, осуществляют возбуждение в ней ультразвуковых колебаний, создаваемых пьезоэлектрическим преобразователем, отличающийся тем, что совмещают номинальный и импульсный режимы преобразования при возбуждении ультразвуковых колебаний пьезоэлектрическими преобразователями, причем при формировании импульсного ультразвукового сигнала за счет обратной отрицательной связи силовой блок обеспечивает накопление энергии от постоянного источника питания в период отсутствия дискретного сигнала на излучение, что позволяет аккумулировать энергию и выдавать пиковые сигналы, при которых мощность формируемого дискретного ударно-резонансного импульсного ультразвукового сигнала в 5-10 раз выше номинальной мощности непрерывного сигнала.