DE3534853A1 - Verfahren zum betrieb eines ultraschallzerstaeubers zur fluessigkeitszerstaeubung - Google Patents
Verfahren zum betrieb eines ultraschallzerstaeubers zur fluessigkeitszerstaeubungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbe
griff des Patentanspruches 1.
Es ist ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschall
schwingers zur Flüssigkeitszerstäubung bekannt, wobei
die elektrische Leistung zeitlich getaktet zugeführt
wird und die zugeführte Leistung im Mittel für die ein
gestellte 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 Be
trieb von Ultraschallflüssigkeitszerstäubern ist der
Ultraschallschwinger manuell auf seine Grundbetriebs
frequenz abzustimmen und es lassen sich die mit Ferti
gungstoleranzen behafteten Ultraschallzerstäuber, die
beispielsweise unterschiedliche Arbeitsfrequenzen auf
weisen, nicht ohne Abgleich austauschen.
Weitere Verfahren erlauben zwar einen Betrieb mit auto
matischem 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.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Ultraschallflüssig
keitszerstäuber zu konzipieren, der eine sichere Zer
stäubung mit kontinuierlich automatischer Frequenz
nachstimmung und automatischer Abschüttlung eines über
flutenden Zerstäubertellers ermöglicht. Ferner sollen
eine geringe Leistungsaufnahme der Elektronik, eine
niedrige Temperaturbelastung und eine hohe Zerstäubungs
rate gewährleistet werden. Eine automatische Temperatur
überwachung soll integriert sein.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach dem Oberbe
griff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß mit Hilfe
der Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1
gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen ge
hen aus den Unteransprüchen hervor.
Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden
eine sichere Zerstäubung bei geringer Leistungsaufnahme
der Elektronik und eine niedrigere Temperaturbelastung
des Ultraschallzerstäubers erreicht. Es wird ein schnel
les Finden der optimalen Arbeitsfrequenz des Ultra
schallzerstäubers erreicht, da nur ein vorgegebener Fre
quenzbereich, in dem die Arbeitsfrequenz des Ultraschall
flüssigkeitszerstäubers liegt, durchlaufen werden muß.
Ferner wird die Betriebssicherheit erhöht, da ein Einra
sten auf einer anderen Frequenz, z.B. der Verbundreso
nanzfrequenz des Ultraschallzerstäubers, was zur Zerstö
rung des Ultraschallzerstäubers führen würde, bei der
erfindungsgemäßen Ausführung nicht eintritt.
Der Ultraschallzerstäuber wird mit einem Burst angeregt,
dessen Impulsdauer t 1 beträgt. Er schwingt mit der Zeit
dauer t 2 frei aus, bevor der nächste Burst folgt (Fig. 3).
Mit einer Strommeßschaltung wird der Strom durch die
Endstufe proportional dem Strom durch den Ultraschall
zerstäuber erfaßt und in eine Spannung umgesetzt - siehe
Fig. 1. Um Fehlmessungen, beispielsweise durch Ein
schwingvorgänge zu vermeiden, wird ein Teil t 3 des
stromportionalen Signals ausgeblendet und danach für
kurze Zeit der Strom t 4 gemessen und dieser Wert in
einem Meßwertspeicher abgelegt (Fig. 1, Fig. 3 und Fig. 4).
In der Pause zwischen zwei Burstsignalen t 2 wird dieser
Meßwert von Speicher I in Speicher II (Fig. 4) übergeben.
Bei dem auf diese Pause folgenden Burst t 1 wird der
dann vom Meßwertspeicher I neu aufgenommene Strommeßwert
durch einen Vergleicher mit dem im Meßwertspeicher II
abgelegten, vorhergehenden Strommeßwert verglichen
(Fig. 4).
Ist die Differenz der im Meßwertspeicher II und Meßwert
speicher I stehenden Strommeßwerte kleiner als der ein
gestellte 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.
Ist die Differenz der Strommeßwerte größer als der ein
gestellte obere Schwellwert, so wird die Frequenz um
einen Schritt pro Burst erniedrigt.
Liegt die Differenz der Strommeßwerte innerhalb des
Schwellwertbereiches, so wird die Frequenzsuchrichtung
beibehalten, die beim vorhergehenden Burst maßgebend
war.
Um Arbeitsfrequenzänderungen des Ultraschallschwingers
in Richtung tieferer Frequenz, hervorgerufen durch Ände
rungen der Umgebungstemperatur bzw. durch Eigenerwär
mung, schneller ausregeln zu können, wird nach einer
bestimmten Zeitdauer t 7 die Arbeitsfrequenz der Elektro
nik zwangsweise um einen Schritt erniedrigt (Fig. 4).
Die Erfindung ist durch die Abhängigkeit des Stromes
durch die Endstufe (proportional dem Strom durch den
Ultraschallschwinger) nach Aufbereitung durch die Elek
tronik in Abhängigkeit von der Frequenz veranschaulicht.
Fig. 2 zeigt besonders deutlich den erfindungsgemäßen
Effekt, wonach die Arbeitsfrequenz des Ultraschallzer
stäubers sehr schnell gefunden werden kann und es keine
Rolle spielt, ob dieser gedämpft (überfluteter Zerstäu
berteller) oder frei schwingt. Die Suchrichtung geht da
bei von tiefen zu hohen Frequenzen. Ferner geht der Über
gang des Zerstäubers vom stark gedämpften (überfluteten)
in den schwach bedämpften (zerstäubenden) Zustand - ver
bunden mit einer Erhöhung der Arbeitsfrequenz des Ultra
schallzerstäubers - ebenfalls sehr schnell vonstatten.
Ein weiterer Vorteil ist, daß nach dem Finden der opti
malen Zerstäuberarbeitsfrequenz die Schaltung eng um
den optimalen Arbeitspunkt pendelt. In den Bereichen
"A" außerhalb der optimalen Arbeitspunkte wird durch
entsprechende Schaltungsmaßnahmen ein konstanter Strom
meßwert vorgegeben, damit die Schaltung schnell auf
der Arbeitsfrequenz des Ultraschallzerstäubers ein
rasten kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders
zum Betrieb eines piezoelektrischen Ultraschallzer
stäubers mit einer Piezokeramik und einem Amplituden
transformator mit einem Zerstäuberteller (siehe Fig. 5).
Um eine Zerstörung des Ultraschallflüssigkeitszer
stäubers durch Übertemperatur zu vermeiden, beispiels
weise durch Trockenlaufen, ist es vorteilhaft auf die Ke
ramik des Ultraschallzerstäubers einen temperaturabhängi
gen Widerstand aufzubringen (Fig. 6). Falls z.B. durch
Trockenlaufen eine unzulässig hohe Temperatur am Ultra
schallzerstäuber entstehen würde, schaltet die Elektro
nik die Endstufe solange ab, bis der Ultraschallzer
stäuber wieder auf zulässige Temperaturen abgekühlt ist.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Ultra
schallflüssigkeitszerstäuber 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, Lö
sungsmitteln und Wasser, beispielsweise in Luftbefeuch
ter, 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 Piezo
keramik und einem Amplitudentransformator mit einem
Zerstäuberteller und Anregungselektronik.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich
nung verwiesen. Es zeigen
Fig. 1 ein Diagramm des Stromverlaufs nach der Aufbe
reitung 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 Wider
stand.
In Fig. 1 ist auf der Ordinate der durch den Strom ver
ursachte Spannungsabfall aufgetragen, während auf der
Abszisse die Zeit dargestellt ist. Während der Zeit
dauer t 3 findet keine Messung statt. Gemessen wird
während der Zeitdauer t 4. Die Zeitdauer des Burstsignals
ist t 1.
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 f 1 die Frequenz bzw.
der Arbeitspunkt des mit Flüssigkeit überfluteten
bzw. bedämpften Flüssigkeitszerstäubers ist, während
f 2 der Arbeitspunkt bzw. die Frequenz des unbedämpf
ten Flüssigkeitszerstäubers ist. Der Bereich A stellt
den nicht für die Zerstäubung nutzbaren Frequenzbereich
dar.
In Fig. 3 ist die genaue Schaltungsbeschreibung aufge
tragen, wobei a die Zeitdauer t 1 für die Einschaltzeit
und t 2 die Zeitdauer für die Ausschaltzeit des Burst
impulses darstellen. In b ist die Verzögerungszeitdauer
t 3, während der nicht gemessen wird, eingezeichnet.
c stellt die im Anschluß nach t 3 folgende Strommeßzeit t 4
dar. In d und e ist die Übernahme des Meßwertes des Stro
mes vom Meßwertspeicher I nach dem Meßwertspeicher II
dargestellt. Die Zeit t 5 der Zählimpulse folgt im Anschluß
an das Burstsignal. Nach Abschluß von t 5 erfolgt die
Meßwertübernahme vom Meßwertspeicher I nach Meßwertspei
cher II innerhalb der Zeit t 6.
In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer Anregungselek
tronik 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 Über
trager, 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 Frequenz
steuerung dargestellt. Es ist zu erkennen, daß der
Ultraschallflüssigkeitszerstäuber 3 über eine Vor- und
Endstufe mit einem Burst angeregt wird, dessen Burst
frequenz nach dem erfindungsgemäßen Verfahren regelbar
ist. Die Regelung findet über eine Strommessung zu
verschiedenen Zeitpunkten und einem Vergleich von
verschiedenen Strömen statt.
Zum Schutz des Zerstäuberkegels für Übertemperaturen ist
ein temperaturabhängiger Widerstand 2 auf dem Ultra
schallzerstäuber 3 angebracht. Durch den temperaturab
hängigen Widerstand 2 wird bei unzulässigen Temperaturen
die Elektronik abgeschaltet.
In Fig. 5 ist der Ultraschallflüssigkeitszerstäuber mit
einer Piezokeramik 4, dem angekoppelten Amplituden
transformator 5 und dem Zerstäuberteller 6 dargestellt.
Das im Zerstäuberkegel integrierte Röhrchen 7 dient
zur Flüssigkeitszufuhr. 8 ist die Anregungselektronik.
Fig. 6 zeigt einen auf eine Piezokeramik 9 aufgebrach
ten temperaturabhängigen Widerstand 10. 11 ist die An
regungselektronik.
Claims (11)
1. Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallschwingers
zur Flüssigkeitszerstäubung mit automatischem Frequenz
abgleich bei zeitlich getakteter elektrischer Leistung,
dadurch gekennzeichnet, daß
für den automatischen Frequenzabgleich eine Strommes
sung während der Zeitdauer des Burstimpulses t 1 nach
einer Verzögerungszeit t 3 für eine Zeitspanne t 4 vor
genommen wird und die Summe aus der Verzögerungszeit
t 3 und der Zeitspanne t 4 nicht größer als die Zeitdauer
des Burstimpulses t 1 ist und daß der Bereich des auto
matischen Frequenzabgleichs so begrenzt ist, daß die
Schaltung innerhalb des für die Zerstäubung nutzbaren
Frequenzbandes einrastet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der automatische Frequenz
abgleich des Ultraschallzerstäubers von der tieferen
zur höheren und/oder von der höheren zur tieferen Fre
quenz durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Übernahme des Wertes
während der Strommessung während einer Zeitspanne t 6
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Burstsignalen er
folgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß zum Vergleich der bei
den Messungen der Stromwerte eine Schwellwertschaltung
verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Stromschwellwert der
Schwellwertschaltung kleiner ist als die Stromdiffe
renz, die zwischen einem bedämpften und einem unbedämpft
schwingenden Zerstäuber auftritt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Schwellwert für die
Strommeßwerte kleiner ist als der Differenzwert der
innerhalb der Frequenzbereichsgrenzen auftritt.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein bestimmter Arbeits
frequenzbereich vorgegeben wird und keine meßbare
Stromdifferenz außerhalb des Bereiches auftritt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß nach einer Zeit t 7 die
Schaltung einen Schritt entgegen der Suchrichtung läuft,
ohne die Suchrichtung zu beeinflussen.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Ultraschallzer
stäuber mit einem temperaturabhängigen Widerstand ver
sehen wird.
10. Anwendung des Verfahrens nach den vorangegangenen
Ansprüchen zum Betrieb eines piezoelektrischen Ultra
schallzerstäubers 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 Wider
stand (10) auf der Piezokeramik (9) und einer Anregungs
elektronik (11).
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