Ультразвуковой генератор импульсов

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в технических системах подготовки теплоносителя и интенсификации технологических процессов. Устройство содержит микроконтроллер, электронный коммутатор, излучатель ультразвуковых колебаний, управляемый источник тока, блок контроля, синхронизатор, пульт управления режимами, блок индикации режимов. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и области технического использования. 6 ил.

 

Изобретение относится к ультразвуковой технике и предназначено для предупреждения отложений в теплообменном оборудовании и интенсификации технологических процессов.

Известен импульсный ультразвуковой генератор по патенту RU №2145467 С1, 7 H04R 15/00, B06B 1/08, H01L 41/12, приор. 1998.02.24, опубл. 2000.02.10, состоящий из задающего генератора импульсов на D-триггере с RC-элементами и коммутирующем биполярном транзисторе, формирователе разнополярных импульсов с парой силовых транзисторов, работающих на электрическую цепь в виде последовательно включенных конденсатора, магнитострикционного излучателя, резистора переменного сопротивления, подключенного средним выводом к аналоговому сумматору.

Известен также ультразвуковой импульсный генератор по авт. свид. SU №575144, 2 B06B 1/08, приор. 1976.06.01, опубл. 1977.10.05. Он содержит выпрямительный мост с токоограничивающим резистором, параллельно которым включены трансформатор, динистор, разделительный конденсатор и резистор, тиристор, подключенный управляющим выводом к выходной обмотке трансформатора, и последовательно включенные накопительная емкость и ультразвуковой вибратор (магнитостриктор).

В качестве прототипа выбран ультразвуковой импульсный генератор по патенту RU №2016668 С1, 5 B06B 1/08, приор. 1990.05.30, опубл. 1994.07.30. Известное устройство содержит последовательно включенные источник тока в виде мостового диодного выпрямителя с ограничительным резистором с нелинейной характеристикой, формирователь импульсных сигналов, выполненный на импульсном трансформаторе, динисторе, конденсаторе и резисторе, коммутирующий тиристор, подключенный управляющим выводом к выводу вторичной обмотки импульсного трансформатора формирователя импульсных сигналов, излучатель ультразвуковых колебаний в виде последовательно включенных накопительной емкости и магнитострикционного вибратора.

Недостатками известных устройств [1-3] являются недостаточные функциональные возможности изменения параметров генерируемых акустических сигналов в процессе работы, что однозначно ведет к снижению эффективности и области технического использования.

Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого ультразвукового генератора импульсов, является расширение функциональных возможностей и области технического использования за счет введения режимов динамического регулирования параметров генерируемых сигналов (длительности, амплитуды, резонансной частоты, числа импульсов в пачке и периодичности их повторения).

Для достижения технического результата в ультразвуковой генератор импульсов, содержащий синхронизатор, источник тока, подключенный через электронный коммутатор к излучателю ультразвуковых колебаний, дополнительно введены микроконтроллер с блоком контроля, пультом управления и блоком индикации режимов, причем электронный коммутатор и излучатель ультразвуковых колебаний выполнены многоканальными и объединены по силовым выводам, а источник тока выполнен m-канальным и управляемым, его информационные выходы подключены к одноименным входам электронного коммутатора, а вход соединен с первым управляющим выходом микроконтроллера, вторая его группа из n-управляющих выходов подключена к одноименным входам электронного коммутатора, при этом вторая группа выходов электронного коммутатора через блок контроля подключена к входу контроля микроконтроллера, одна его группа выходов подключена к выходам пульта управления режимами, а вход синхронизации соединен с выходом синхронизатора соответственно.

Микроконтроллер 1 программно управляет процессом возбуждения ультразвуковых колебаний посредством n магнитострикторов излучателя 3 ультразвуковых колебаний, регулируя их параметры в процессе работы синхронно с сетевым питающим напряжением, устанавливая их длительность и количество импульсов возбуждения в пачке за полупериод питающего сетевого напряжения, избирательно (по программе) изменяя частоту следования пачек импульсов и частоту следования импульсов в пачке по заданному закону в пределах установленного диапазона значений. Это позволяет выполнять индивидуальную программу формирования сложных ультразвуковых колебаний в процессе работы устройства исходя из конструктивных и режимных параметров технологического объекта (теплоагрегата, процесса).

Использование блока 5 контроля в цепях обратной связи ультразвукового генератора импульсов дает возможность через микроконтроллер 1 выявлять аварийные состояния работы устройства по n цепям управления излучателя 3 ультразвуковых колебаний и осуществлять отключение управляемого источника 4 тока (Оуп_р=0) до устранения неисправности, повышая его надежность и электробезопасность.

Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 показана структурная схема ультразвукового генератора импульсов, на фиг.2-5 приведены только для пояснения варианты выполнения его основных блоков: электронного коммутатора 2 (фиг.2), излучателя 3 ультразвуковых колебаний (фиг.3), управляемого источника 4 тока (фиг.4), блока 5 контроля (фиг.5) и временная диаграмма (фиг.6), показывающая форму акустических колебаний по каждому из n каналов при разных режимах работы устройства.

Ультразвуковой генератор импульсов (фиг.1) содержит микроконтроллер (МК) 1, электронный коммутатор (КМ) 2, излучатель 3 ультразвуковых колебаний (ИУК), управляемый источник 4 тока (УИТ), блок 5 контроля (БК), синхронизатор (СХ) 6, пульт 7 управления режимами (ПУР) и блок 8 индикации режимов (ВИР).

Синхронизатор СХ 6 подключен к входу синхронизации микроконтроллера МК 1. Первый его управляющий выход соединен с входом УИТ 4, а вторые n выходы через электронный коммутатор КМ 2 подключены к одноименным входам ИУК 3. Информационные m входы электронного коммутатора КМ 2 соединены с выходами УИТ 4, а n выходы контроля - к информационным входам блока 5 контроля БК соответственно. Его выход соединен с входом контроля МК 1, информационные К выходы которого подключены к входам БИР 8, а управляющие П входы соединены с выходами ПУР соответственно.

Работает ультразвуковой генератор импульсов следующим образом.

В исходном состоянии устройство (фиг.1) обесточено. Его запуск осуществляется по сигналам ПУР 7, по которым подается питающее напряжение, и МК 1 выполняет заданную программу формирования сложных ультразвуковых колебаний. Синхронизатор СХ 6, связанный с сетевым питающим напряжением (на фиг.1 не показано), синхронизирует работу МК 1 синхронно с периодом Т_опр=1/F_опр сетевого питающего напряжения, снижая систематическую составляющую погрешности, и тем самым, повышая точность формирования сигналов ультразвуковой частоты.

Так, по заданной через ПУР 7 программе, МК 1 по первому управляющему выходу формирует сигнал требуемого значения U_упр, подаваемый на одноименный вход УИТ 4. В результате, на его m выходах (фиг.4) сформируются токовые сигналы I_i=(U_упр)), i=1,2...m требуемого значения I₁, I₂...I_m, которые через электронный коммутатор КМ 2 (фиг.2), управляемый МК 1 по вторым управляемым n выходам, в пределах периода сетевого питающего напряжения потактно поступают на одни обмотки (L1.1...L1.m)m двухобмоточных магнитострикторов МС1...MCm (фиг.3) ИУК 3 и перезаряжают накопительные конденсаторы С1...Cm через другие их обмотки (1.2.1...1.2.m). На механических выходах ИУК 3 генерируются ультразвуковые колебания σ_х сложной формы (фиг.6) по заданной программе МК 1, создавая требуемую картину волнового поля в среде технологического объекта.

Для этого МК 1 по сигналам ПУР 7 может выполнять последовательно ряд программ, направленных на повышение эффективности воздействия на технологический объект (теплоагрегат, процесс) через генерируемые ультразвуковые колебания за счет их (см. фиг.6):

- оптимизации длительности τ_И, амплитуды σ_x и частоты f следования с учетом резонансных свойств магнитострикторов ИУК 3;

- формирования пачек из К импульсов возбуждения оптимальной формы, установления частоты f_П их повторения и использования линейной частотной модуляции при их формировании;

- задания индивидуальной программы формирования ультразвуковых колебаний, учитывающей параметры технологического объекта.

Первоначально МК 1 выполняет программу оптимизации (по математической модели) длительности τ_И одиночных (К=1) импульсов возбуждения и частоты f их следования, формируемые по его вторым управляющим n=2·m выходам, с учетом резонансных свойств семейства из m магнитострикторов ИУК 3. После этого МК 1 переходит к программе формирования сложных акустических колебаний ультразвуковой частоты в виде пачек из К>1 импульсов (см. фиг.6). Частота f_П повторения пачек импульсов возбуждения задается программно в диапазоне Δf_П=1,0...50 Гц через ПУР 7 и отображается на БИР 8.

В этом режиме возможно снижение частоты f_П повторения пачек импульсов возбуждения без снижения интенсивности ультразвукового излучения σ_х за счет формирования соответствующего числа К>1 импульсов в пачке.

Это ведет к снижению интенсивности шумовой составляющей, излучаемой устройством (ИУК 3) в окружающее (воздушное)пространство. Например, уровень шума заявляемого устройства снижается примерно в 1,5-2 раза относительно известных устройств [1-3].

Для более полной передачи акустической энергии в среду технологического объекта при работе устройства с семейством из m магнитострикторов ИУК 3, отличающихся между собой некоторым технологическим разбросом параметров, МК 1 имеет режим программного изменения частоты f следования импульсов возбуждения в пачке по закону линейной модуляции.

В заявляемом устройстве предусмотрен режим формирования ультразвуковых колебаний по индивидуальной программе в течении всего периода регламентной работы технологического объекта. В этом случае наиболее полно учитывается многофакторность технологического процесса, геометрические особенности теплообменного оборудования, изменения режимов его работы и т.п. Следовательно, имеет место повышение эффективности и расширение области технического использования устройства в различном технологическом оборудовании.

В процессе работы устройства осуществляется контроль исправности силовой цепи (УИТ 4, KM 2, ИУК 3) посредством БК 5 (фиг.5). Например, нарушение потактной работы КМ2 по какой-либо из n коммутируемых цепей ИУК 3 приводит к выработке аварийного сигнала «Авария» БК 5, который подается в МК 1 на приостановку выполнения программы формирования управляющих импульсов возбуждения и выработку сигнала на отключение силовой электрической цепи УИТ 4 (U_упр=0). Обесточивание ИУК 3 до выявления и устранения неисправности в силовом электрическом оборудовании устройства, повышает его электробезопасность. Подобный режим отсутствует в известных устройствах [1-3].

Таким образом, использование МК 1 для адаптивного управления режимами работы предлагаемого устройства позволяет более эффективно передавать акустическую энергию технологическому объекту по сравнению с аналогичными устройствами [1-3]. Кроме того, предлагаемое устройство становится универсальным, поскольку его перенастройка осуществляется на программном уровне в ходе работы и не затрагивает его структурных изменений. Расширяется область его технического использования за счет возможности применения для широкого парка технологического теплообменного оборудования и процессов. Это также отличает предлагаемое устройство от известных аналогов и прототипа [1-3] и позволяет обеспечить достижение положительного эффекта.

Практическая реализация: МК 1 - серии MSP-430; электронный коммутатор КМ 2 - блок тиристоров ТЧ25 с усилителями мощности УМ (по схеме эмиттерного повторителя) по цепям управления; ИУК 3 - двухобмоточные магнитострикторы с накопительной емкостью; УИТ 4 - транзисторный источник тока с m выходами по схеме «токовое зеркало»; блок контроля БК 5 - датчики тока на основе измерительного трансформатора с триггерами Шмитта и логическими элементами И, ИЛИ серии К561; синхронизатор СХ 6 выполнен по схеме индикатора нуля на ИМС К140УД7, КД503А, RC-элементах; ПУР 7 - набор микрокнопок; БИР 8 - АЛС324, К176ИД2.

Источники информации

1. Патент RU №2145467, H04R 15/00, В06В 1/08, H01L 41/2. Опубл. 2000.02.10.

2. А.с. SU №575144, B06B 1/08. Опубл. 1977.05.10. БИ №33, 1977.

3. Патент RU №2016668, B01B 1/08. Опубл. 1994.07.30, прототип.

Ультразвуковой генератор импульсов, содержащий синхронизатор, источник тока, подключенный через электронный коммутатор к излучателю ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что в него дополнительно введены микроконтроллер с блоком контроля, пультом управления и блоком индикации режимов, причем электронный коммутатор и излучатель ультразвуковых колебаний выполнены многоканальными и объединены по силовым выводам, а источник тока выполнен m-канальным и управляемым, его информационные выходы подключены к одноименным входам электронного коммутатора, а вход соединен с первым управляющим выходом микроконтроллера, вторая его группа из п-управляющих выходов подключена к одноименным входам электронного коммутатора, при этом вторая группа выходов электронного коммутатора через блок контроля подключена к входу контроля микроконтроллера, одна его группа выходов подключена к выходам пульта управления режимами, а вход синхронизации соединен с выходом синхронизатора соответственно.