EP0123277B1 - Verfahren zum Betrieb eines Ultraschall-Schwingers zur Flüssigkeitszerstäubung - Google Patents

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EP0123277B1
EP0123277B1 EP84104426A EP84104426A EP0123277B1 EP 0123277 B1 EP0123277 B1 EP 0123277B1 EP 84104426 A EP84104426 A EP 84104426A EP 84104426 A EP84104426 A EP 84104426A EP 0123277 B1 EP0123277 B1 EP 0123277B1
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EP
European Patent Office
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oscillator
time interval
supplied
power
frequency
Prior art date
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EP84104426A
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EP0123277A2 (de
EP0123277A3 (en
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Valentin Dipl.-Phys. Mágori
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP0123277A3 publication Critical patent/EP0123277A3/de
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    • B06B2201/70—Specific application
    • B06B2201/77—Atomizers

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1.
  • microinhaler An inhalation device from Siemens with the designation “microinhaler” is commercially available, in which there is a liquid atomizer according to the above-mentioned patent specification. This device also contains an electrical excitation circuit that supplies the AC supply voltage.
  • liquid atomizer of the type mentioned above are e.g. B. the fuel oil atomization for fuel oil burners.
  • an electronic excitation circuit which can operate the oscillator even under unfavorable operating (start-up) conditions in such a way that liquid atomization actually occurs.
  • an unfavorable operating condition is e.g. B. that a drop of liquid adheres to the worktop of the atomizer, which hinders the vibration of this worktop and thus the vibration of the whole ultrasonic vibrator.
  • a high excess of electrically fed continuous power has been provided as a remedy that such excessive damping of the transducer can also be overcome.
  • this has the disadvantage that the oscillator is then destroyed, in particular if the liquid supply fails, because the result is thermal overloading of the oscillator.
  • the invention is based on the consideration that a completely new operating method for such a liquid atomizer must be found in order to solve the problems at hand.
  • the concept of this new method is to feed the oscillator repetitively, in particular periodically, at a relatively low frequency (20 to 100 Hz) instead of continuously, as before, at a relatively high frequency alternating voltage.
  • a high electrical (peak) power is supplied during a first time interval ⁇ t 1 that the vibrator even with strong damping by e.g. B. attached drops swings safely.
  • ⁇ t 2 significantly lower electrical power or no power at all is supplied.
  • the clock ratio of ⁇ t 1 to ⁇ t 2 , the absolute time periods of the time intervals and the values of the electrical power values supplied in the time intervals are dimensioned in such a way that the thermal load on the oscillator resulting from the integrally resulting mean electrical power supply does not become impermissibly high and yet the corresponding amount of liquid is atomized.
  • a particularly advantageous development of the invention is to provide a repetition for the time intervals .DELTA.t 1 and .DELTA.t2, in which groups, each consisting of a plurality of successive cycles corresponding to the time intervals .DELTA.t 1 ', periodically follow one another.
  • the frequency of the succession of the groups is equal to the clock frequency already mentioned with z. B. 20 to 100 Hz selected. With a clock frequency of such a frequency value it can be achieved that a liquid drop adhering to the vibrating worktop - depending on the consistency and adhesive force of the material of this droplet - is caused to oscillate on the surface of this worktop.
  • such a drop of liquid preferably contracts in the center of this worktop.
  • the vibration amplitude or the rest of the worktop decays, it is distributed uniformly up to the edge of the worktop over its entire surface or, if the surface of the worktop is not horizontal, more or less hangs on the edge region of the worktop.
  • This response time constant is z. B. 1 ms for an oscillator with 100 kHz oscillation frequency.
  • the oscillation amplitude of the oscillator does not reach the level of the final amplitude of the oscillation, but the rise stops at a predeterminable value of an upper threshold S.
  • this oscillation then decays to a lower, predefinable threshold value.
  • a sawtooth-like time course of the oscillation amplitude of the oscillator can thus be achieved.
  • the frequency of this electrical signal to be picked up is equal to the natural resonance frequency of the vibrator and can be used for optimal control of the frequency of the excitation AC voltage for the supply in the first time interval ⁇ t 1 .
  • the occurrence of such an electrical signal in the second time interval At 2 is also a control for the oscillation and the atomization function in the first time interval ⁇ t 1 .
  • the level and the time profile - in particular the time constant - of the electrical signal in the time interval ⁇ t 2 is also a measure of the vibration amplitude achieved in the time interval ⁇ t 1 .
  • a lower level of this electrical signal recorded in the time interval ⁇ t 2 indicates stronger damping of the ultrasonic vibrator and thus a relatively large supply of liquid.
  • the supplied electrical feed power can be increased in the time interval ⁇ t, or the amount of liquid supplied per unit of time can be reduced until the electrical signal taken off in the time interval ⁇ t 2 indicates that the liquid atomizer has again achieved the optimum vibration behavior.
  • Fig. 1 denotes the entire ultrasonic vibrator. It is z. B. an ultrasonic transducer according to German patent 20 32 433. This transducer comprises a piezoceramic disk 2 as a piezoelectric converter, to which the electrical excitation voltage is to be applied. With 3 the worktop is designated, on the surface 4 of which the liquid atomization 5 takes place. 6 designates a supply line and 7 designates a pump installed in this supply line for the liquid to be atomized to be supplied to the surface 4.
  • the actual excitation electronics are designated by 11 and reference is made to an additional electronic circuit provided according to a further development, which serves to monitor the operational vibration behavior of the ultrasonic vibrator 1.
  • the electrical power output by the circuit 11 is fed to the converter 2 via the line 13.
  • the circuit 11 is at the terminals 14 z. B. fed with 220 volts AC or 12 volts DC.
  • 15 denotes a connecting line to the circuit 12, namely via which an electrical signal returned by the converter 2 can be fed to this circuit 12 during the meal break in the time interval ⁇ t 2 .
  • the converter 2 has an additional (feedback) electrode which is connected to the circuit 12 via the line 15.
  • the line 16 between the circuits 11 and 12 serve to supply evaluation signals from the circuit 12 to the circuit 11 in order to control them.
  • This control can relate in particular to the frequency f of the excitation AC voltage (for example in the range of 100 kHz), to the upper threshold S, the oscillation amplitude of the oscillator 1 and / or to the lower oscillation amplitude S 2 of the same.
  • the lines 17 indicate control signal outputs of the circuit 12, e.g. B. to a light emitting diode 18, which can serve as an operating signal lamp, and to the pump 7, the control of which from the circuit 12 can always ensure an adapted amount of liquid supply to the surface 4 of the vibrator 1.
  • the diagram in FIG. 2 shows the electrical power N supplied to the converter 2 and thus to the oscillator 1 via the line 13, plotted over time.
  • the clocks 21 with the first time intervals ⁇ t 1 are the actual feed intervals. In these intervals, the vibrator 1 receives such a large electrical power that it itself and thus also the worktop 3 is reliably set in the required ultrasonic vibration, regardless of whether on the surface 4 of the plate 3 a more or less there is a large amount of liquid or a drop adhering to it.
  • electrical power is supplied in accordance with the clocks 22.
  • the power of the clocks 22 can be so high that continuous oscillation continuously causes further atomization 5.
  • the electrical power of the clocks 22 can, however, have the value zero, ie the oscillator 1 is allowed to swing out in the second time intervals ⁇ t 2 .
  • the clock ratio At,: ( ⁇ t 1 + ⁇ t 2 ) is z. B. 4 ms: 20 ms, the latter value advantageously being derived from the mains frequency. It is important for the clock ratio that, together with the power ratio N, to N 2, the permissible mean electrical power to be supplied is not exceeded, but nevertheless safe start-up is always ensured with the power N level.
  • Fig. 3 shows the diagram of the electrical power N, again plotted against the time t, but with groups of - in this example three clocks 37.
  • Each of these clocks 31 has the length of a time interval ⁇ t 1 'of z. B. 1 ms duration.
  • the repetition of these clocks 31 within a group is preferably periodic with the frequency F.
  • the groups 32 consist of the respective number of individual clock cycles 31 and preferably also have periodic repetition with the frequency F 2 .
  • this frequency F 2 is chosen between 10 and 100 Hz, preferably 50 Hz (60 Hz).
  • the sum of the time intervals ⁇ t 1 ′ of an individual group 32 in relation to the period of the repetition frequency F 2 is important for the measure of the mean electrical power already mentioned above.
  • FIG. 4 shows an amplitude curve of the oscillation of the vibrator 1 or the worktop 3 when the excitation power is supplied according to FIG. 3. Since between the last time interval ⁇ t 1 'of one group 32 and the first time interval ⁇ t.' the group 32 is no electric power supply is provided according to Fig. 3, is performed in this time interval At 2 asymptotic decay until the next Wiederanschwingen.
  • the time intervals of the ⁇ t 1 or the time interval in which the time intervals ⁇ t 1 '(FIG. 3) are present, and the time interval ⁇ t 2 then result from the respective operating vibration behavior of the vibrator 1 and are here variable in terms of their length in time over the duration .
  • the time intervals .DELTA.t 1 and .DELTA.t2 are controlled with the aid of the circuit 12, in which a return signal of the vibrator 1 supplied via the line 15 is evaluated.
  • FIG. 6 shows a complete circuit diagram for a circuit 11 for generating the electrical power that feeds the oscillator 1.
  • the repetition frequency is supplied by the generator 61 in this circuit.
  • the circuit part 63 is a driver stage and the transistor 64 is the final stage.
  • the circuit part 65 with the zener diode serves to correct a fluctuation in the supply voltage 66.
  • the further details of the circuit are readily apparent to the person skilled in the art from the circuit diagram.
  • FIG. 7 shows a circuit example for a circuit 12.
  • the circuit part provided for a signal delay and the signal comparator 72 are designated with 71. 'Also this diagram needs no further explanation to the skilled artisan.
  • a pre-pulse is shown at 35, which is supplied to the oscillator 1 before the actual atomizing operation is started.
  • This is preferably a burst pulse (oscillation packet) with advantageously one to twenty oscillations with a frequency that is at least approximately equal to the resonance frequency of the oscillator 1.
  • the pre-pulse triggers an oscillation of the oscillator 1 and its decay oscillation 45 (in FIG. 4), as already described above, is used for the initial control of the frequency f of the alternating excitation voltage to be supplied via the line 13.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aus der deutschen Patentschrift 20 32 433 ist ein Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber bekannt, der mit elektrischer Wechselspannung mit einer Frequenz von z. B. 100 kHz gespeist wird. Zum Zwecke der Umwandlung elektrischer in mechanische Energie hat der Schwinger des Zerstäubers einen Anteil aus piezoelektrischer Keramik.
  • Im Handel ist ein Inhalationsgerät der Fa. Siemens mit der Bezeichnung « Mikroinhalator », in dem sich ein Flüssigkeitszerstäuber nach der obengenannten Patentschrift befindet. In diesem Gerät ist auch eine elektrische Anregungsschaltung enthalten, die die Speise-Wechselspannung liefert.
  • Weitere Anwendungen eines Flüssigkeitszerstäubers der obengenannten Art ist z. B. die Heizöl-Zerstäubung für Heizölbrenner.
  • In allen Anwendungsfällen eines wie obengenannten Flüssigkeitszerstäubers mit einem Ultraschall-Schwinger war darauf zu achten, daß die der schwingenden Arbeitsplatte zuzuführende und insbesondere die an dieser Platte anhaftende Flüssigkeitsmenge niemals groß war, weil sonst das einwandfreie Schwingen des Schwingers und insbesondere dieser Arbeitsplatte behindert würde.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen anzugeben, mit denen das Problem der Behinderung der Schwingung des Flüssigkeitszerstäubers bei übermäßiger Flüssigkeitsmenge behoben wird.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß mit Hilfe der Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Zum Betrieb des Ultraschall-Wandlers eines wie oben erörterten Flüssigkeitszerstäubers wird eine elektronische Anregungsschaltung benötigt, die den Schwinger auch unter ungünstigen Betriebs (Anschwing-)bedingungen derart in Betrieb zu setzen vermag, daß tatsächlich Flüssigkeitszerstäubung auftritt. Eine solche ungünstige Betriebsbedingung ist z. B., daß an der Arbeitsplatte des Zerstäubers ein Flüssigkeitstropfen haftet, der die Schwingung dieser Arbeitsplatte und damit die Schwingung des ganzen Ultraschall-Schwingers behindert. Bisher wurde als Abhilfe dagegen ein so hoher Leistungsüberschuß an elektrisch eingespeister Dauerleistung vorgesehen, daß auch solche übermäßige Bedämpfung des Schwingers bewältigt wird. Dies hat aber den Nachteil, daß insbesondere bei einem Ausfall der Flüssigkeitszufuhr der Schwinger dann zerstört wird, weil im Ergebnis thermische Überlastung desselben auftritt.
  • Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß ein völlig neues Betriebsverfahren für einen solchen Flüssigkeitszerstäuber gefunden werden muß, um die anstehenden Probleme zu lösen. Das Konzept dieses neuen Verfahrens ist, den mit einer relativ hochfrequenten Wechselspannung zu speisenden Schwinger statt wie bisher kontinuierlich jetzt mit relativ niedriger Frequenz (20 bis 100 Hz) repetierlich, insbesondere periodisch, getaktet zu speisen. Zum sicheren Anschwingen des Schwingers und damit zum sicheren Anlaufen des Zerstäubungsvorgangs wird während eines ersten Zeitintervalls Δt1 eine so hohe elektrische (Spitzen-)Leistung zugeführt, daß der Schwinger selbst bei starker Bedämpfung durch z. B. anhängende Tropfen sicher anschwingt. Während eines nachfolgenden zweiten Zeitintervalls Δt2 wird wesentlich niedrigere elektrische Leistung bzw. gar keine Leistung mehr zugeführt. Das Taktverhältnis von Δt1 zu Δt2, die absoluten Zeitdauern der Zeitintervalle und die Werte der in den Zeitintervallen zugeführten elektrischen Leistungswerte sind aufeinander so abgestimmt bemessen, daß die sich aus der integral ergebenden mittleren zugeführten elektrischen Leistung resultierende thermische Belastung des Schwingers nicht unzulässig hoch wird und dennoch entsprechende Flüssigkeitsmenge zerstäubt wird.
  • Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist, für die Zeitintervalle Δt1 und Δt2 eine derartige Repetition vorzusehen, bei der Gruppen, jeweils bestehend aus mehreren aufeinanderfolgenden, den Zeitintervallen Δt1' entsprechenden Takten, periodisch aufeinanderfolgen. Vorzugsweise wird die Frequenz der Aufeinanderfolge der Gruppen gleich der schon obengenannten Taktfrequenz mit z. B. 20 bis 100 Hz gewählt. Mit einer Taktfrequenz eines solchen Frequenzwertes läßt sich erreichen, daß ein an der schwingenden Arbeitsplatte anhaftender Flüssigkeitstropfen - je nach Konsistenz und Adhäsionskraft des Materials dieses Tropfens - in eine Schwingbewegung auf der Oberfläche dieser Arbeitsplatte gebracht wird. Während der Phase des Schwingens der Arbeitsplatte zieht sich ein solcher Flüssigkeitstropfen vorzugsweise im Zentrum dieser Platte zusammen. Bei Abklingen der Schwingamplitude bzw. Ruhe der Arbeitsplatte verteilt er sich dagegen gleichförmig bis zu dem Rand der Platte über deren ganzer Oberfläche oder hängt bei nichthorizontaler Lage der Oberfläche der Platte mehr oder weniger am Randbereich der Platte.
  • Anstelle eines - bezogen auf die Periodendauer einer 10 bis 100 Hz-Schwingung - längeren Zeitintervalls Δt1 ist es vorteilhaft, die bereits obenerwähnten Impulsgruppen vorzusehen, nämlich mehrere Impulse mit jeweils kürzeren Zeitintervallen Δt1' aufeinanderfolgen zu lassen und die Länge des einzelnen Zeitintervalls Δt.' so kurz zu wählen, daß ät, = 25 bis 200 % der Betriebs-Anschwingzeitkonstanten τ des Schwingers ist. Diese Bemessung hat den überraschenden Vorteil, daß in einem derart kurz bemessenen Zeitintervall Δt1' die Anschwing-Steilheit des Schwingers
  • als lastunabhängig erscheint. Diese Anschwingzeitkonstante beträgt z. B. 1 ms für einen Schwinger mit 100 kHz Schwingfrequenz.
  • Besonders wenig aufwendig ist es, die Repetitionsfrequenz bzw. die Periodenfrequenz für das Aufeinanderfolgen der Gruppen von Anregungstakten der Netzfrequenz zu entnehmen. Hierfür genügt es, ungesiebt gleichgerichtete Wechselspannung des Netzes zur Speisung der Anregungsschaltung zu verwenden.
  • Bei Schwingungsanregung des Schwingers mit kurzen Zeitintervallen Δt1' in der Größe von 25 bis 200 % der Anschwingzeitkonstanten erreicht die Schwingungsamplitude des Schwingers nicht die Höhe der Endamplitude der Schwingung, sondern der Anstieg bricht bei einem vorgebbaren Wert einer oberen Schwelle S, ab. Im nachfolgenden zweiten Zeitintervall Als, in dem Speisung mit geringerer oder keiner elektrischen Leistung erfolgt, klingt diese Schwingung dann auf einen unteren vorgebbaren Schwellenwert ab. Es läßt sich damit ein sägezahnartiger zeitlicher Verlauf der Schwingungsamplitude des Schwingers erreichen. Damit wird einerseits stets zuverlässig Schwingungsanregung und Flüssigkeitszerstäubung, und zwar auch unter ungünstigsten Anschwingbedingungen, erreicht, und andererseits kann, die mittlere thermische Belastung des Schwingers selbst für den Fall des Trockengehens desselben auf einem genügend niedrigen Maß gehalten werden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren getakteter Zuführung der elektrischen Anregungsleistung für das Schwingen des Ultraschall-Schwingers kann eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung realisiert werden, nämlich Steuerungs- und/oder Kontrollmaßnahmen durchzuführen. Wenn man im zweiten Zeitintervall Δt2 dem Schwinger keine elektrische Leistung zuführt, erfolgt das Abklingen der Schwingung desselben entsprechend den eigenen charakteristischen Eigenschaften des Schwingers. Da der UltraschallSchwinger im Regelfall mit Hilfe eines piezoelektrischen Wandlers angeregt wird, dem die elektrische Leistung zugeführt wird, kann in der Phase des Abkling-Ausschwingens dieses Ultraschall-Schwingers von diesem Wandler umgekehrt ein elektrisches Signal abgenommen werden. Die Frequenz dieses abzunehmenden elektrischen Signals ist gleich der Eigenresonanzfrequenz des Schwingers und kann zur optimalen Steuerung der Frequenz der Anregungs-Wechselspannung für die Speisung im ersten Zeitintervall Δt1 genutzt werden. Das Auftreten eines solchen elektrischen Signals im zweiten Zeitintervall At2 ist auch eine Kontrolle für das Schwingen und die Zerstäubungsfunktion im ersten Zeitintervall Δt1. Die Höhe und der zeitliche Verlauf - insbesondere die Zeitkonstante - des elektrischen Signals im Zeitintervall Δt2 ist auch ein Maß für die erreichte Schwingamplitude im Zeitintervall Δt1. Eine geringere Höhe dieses im Zeitintervall Δt2 aufgenommenen elektrischen Signals weist auf stärkere Bedämpfung des Ultraschall-Schwingers und damit auf relativ große Flüssigkeitszufuhr hin. Soweit zulässig, kann die zugeführte elektrische Speiseleistung im Zeitintervall Δt, vergrößert werden oder die Menge der pro Zeiteinheit zugeführten Flüssigkeit soweit verringert werden, bis das im Zeitintervall Δt2 abgenommene elektrische Signal auf wieder erreichtes optimales Schwingverhalten des Flüssigkeitszerstäubers hinweist.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen auf der anhand der Figuren'gegebenen Beschreibung hervor. Es zeigen :
    • Fig. 1 eine Prinzipanordnung eines Flüssigkeitszerstäubers mit elektronischer Anregungsschaltung.
    • Fig. 2 Ein Diagramm des zeitlichen Taktverlaufs eingespeister elektrischer Leistung.
    • Fig. 3 Ein Diagramm eines zeitlichen Taktverlaufs eingespeister elektrischer Leistung, wobei Gruppen von Speisetakten periodisch aufeinanderfolgen.
    • Fig. 4 Ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Schwingungsamplitude des Ultraschall-Schwingers.
    • Fig. 5 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Amplitude des Ultraschall-Schwingers, wobei die Taktfolge nach den jeweils erreichten Schwingungsamplituden gesteuert wird.
    • Fig. 6 Ein Schaltungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
    • Fig. 7 Ein Schaltbild für eine gemäß der Weiterbildung der Erfindung vorgesehene Überwachung des Betriebsverhaltens des Ultraschall-Schwingers.
  • In Fig.1 ist mit 1 der gesamte UltraschallSchwinger bezeichnet. Es ist dies z. B. ein Ultraschall-Schwinger nach der deutschen Patentschrift 20 32 433. Dieser Schwinger umfaßt eine piezokeramische Scheibe 2 als piezoelektrischer Wendler, an die die elektrische Anregungsspannung anzulegen ist. Mit 3 ist die Arbeitsplatte bezeichnet, auf deren Oberfläche 4 die Flüssigkeitszerstäubung 5 erfolgt. Mit 6 ist eine Zuführungsleitung und mit 7 eine in dieser Zuführungsleitung installierte Pumpe für die der Oberfläche 4 zuzuführende, zu zerstäubende Flüssigkeit bezeichnet.
  • Mit 11 ist die eigentliche Anregungselektronik bezeichnet und mit 12 ist auf eine gemäß einer Weiterbildung vorgesehene zusätzliche Elektronikschaltung hingewiesen, die der Überwachung des betriebsmäßigen Schwingverhaltens des Ultraschall-Schwingers 1 dient.
  • Über die Leitung 13 wird die von der Schaltung 11 abgegebene elektrische Leistung dem Wandler 2 zugeführt. Die Schaltung 11 wird an den Anschlüssen 14 z. B. mit 220 Volt Wechselspannung oder auch mit 12 Volt Gleichspannung gespeist. Mit 15 ist eine Verbindungsleitung zur Schaltung 12 bezeichnet, nämlich über die während der Speisepause im Zeitintervall Δt2 ein vom Wandler 2 zurückgeliefertes elektrisches Signal dieser Schaltung 12 zugeführt werden kann. Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß der Wandler 2 eine zusätzliche (Rückkopplungs-)Elektrode hat, die über die Leitung 15 mit der Schaltung 12 verbunden ist. Die Leitung 16 zwischen den Schaltungen 11 und 12 dient dazu, von der Schaltung 12 Auswertesignale an die Schaltung 11 zu liefern, um diese zu steuern. Diese Steuerung kann sich insbesondere auf die Frequenz f der Anregungs-Wechselspannung (z. B. im Bereich von 100 kHz), auf die obere Schwelle S, der Schwingungsamplitude des Schwingers 1 und/oder auf die untere Schwingungsamplitude S2 desselben beziehen.
  • Mit den Leitungen 17 ist auf Steuersignalausgänge der Schaltung 12 hingewiesen, z. B. zu einer Leuchtdiode 18, die als Betriebssignallampe dienen kann, und zur Pumpe 7, deren Steuerung aus der Schaltung 12 stets angepaßte Menge der Flüssigkeitszufuhr zur Oberfläche 4 des Schwingers 1 gewährleisten kann.
  • Das Diagramm der Fig. 2 zeigt die über die Leitung 13 dem Wandler 2 und damit dem Schwinger 1 zugeführte elektrische Leistung N, aufgetragen über der Zeit. Die Takte 21 mit den ersten Zeitintervallen Δt1 sind die eigentlichen Speiseintervalle. In diesen Intervallen erhält der Schwinger 1 eine so große elektrische Leistung zugeführt, daß er selbst und damit auch die Arbeitsplatte 3 zuverlässig in die geforderte Ultraschall-Schwingung versetzt wird, und zwar unabhängig davon, ob auf der Oberfläche 4 der Platte 3 eine mehr oder weniger große Flüssigkeitsbelegung oder ein daran anhaftender Tropfen vorliegt. In den Zeitintervallen Δt2 wird elektrische Leistung entsprechend den Takten 22 zugeführt. Die Leistung der Takte 22 kann so hoch bemessen sein, daß kontinuierliches Weiterschwingen kontinuierlich weitere Zerstäubung 5 bewirkt. Die elektrische Leistung der Takte 22 kann aber den Wert Null haben, d. h. man läßt in den zweiten Zeitintervallen Δt2 den Schwinger 1 ausschwingen. Das Taktverhältnis At, : (Δt1 + Δt2) beträgt z. B. 4 ms :20 ms, wobei letzterer Wert vorteilhafterweise aus der Netzfrequenz abgeleitet ist. Wichtig für das Taktverhältnis ist, daß zusammen mit dem Leistungsverhältnis N, zu N2 die zulässigerweise zuzuführende mittlere elektrische Leistung nicht überschritten wird, aber dennoch mit der Höhe der Leistung N, stets sicheres Anschwingen gewährleistet ist.
  • Fig. 3 zeigt das Diagramm der elektrischen Leistung N, wiederum aufgetragen über der Zeit t, jedoch mit Gruppen von - bei diesem Beispiel jeweils drei -Takten 37. Ein jeder dieser Takte 31 hat die Länge eines Zeitintervalls Δt1' von z. B. 1 ms Dauer. Die Repetition dieser Takte 31 innerhalb einer Gruppe ist vorzugsweise periodisch mit der Frequenz F,. Die Gruppen 32 bestehen aus der jeweiligen Anzahl der Einzeltakte 31, haben vorzugsweise ebenfalls periodische Repetition mit der Frequenz F2. Insbesondere wird diese Frequenz F2 zwischen 10 und 100 Hz, vorzugsweise 50 Hz (60 Hz), gewählt. Für das Maß der bereits obenerwähnten zugeführten mittleren elektrischen Leistung kommt es auf die Summe der Zeitintervalle Δt1' einer einzelner Gruppe 32 im Verhältnis zur Periodendauer der Repetitionsfrequenz F2 an.
  • Das Diagramm der Fig. 4 zeigt ein sich bei Speisung mit Anregungsleistung nach Fig. 3 ergebender Amplitudenverlauf der Schwingung des Schwingers 1 bzw. der Arbeitsplatte 3. Da zwischen dem letzten Zeitintervall Δt1' der einen Gruppe 32 und dem ersten Zeitintervall Δt.' der folgenden Gruppe 32 nach Fig. 3 keine elektrische Leistungszufuhr vorgesehen ist, erfolgt in diesem Zeitintervall Δt2 ein asymptotisches Abklingen bis zum erneuten Wiederanschwingen.
  • Es ist bereits oben darauf hingewiesen worden, daß es von Vorteil sein kann, die Schwingungsamplitude A zwischen einer oberen Schwelle S. und einer unteren Schwelle S2 zu halten, wie dies Fig.5 zeigt. Die Zeitintervalle des Δt1 bzw. das Zeitintervall, in dem Zeitintervalle Δt1' (Fig. 3) vorliegen, und das Zeitintervall Δt2 ergeben sich dann aus dem jeweiligen Betriebsschwingungsverhalten des Schwingers 1 und sind hier in ihrer zeitlichen Länge über die Dauer betrachtet variabel. Wie ebenfalls bereits oben erwähnt, erfolgt die Steuerung der Zeitintervalle Δt1 und Δt2 mit Hilfe der Schaltung 12, in der ein über die Leitung 15 geliefertes Rücksignal des Schwingers 1 ausgewertet wird.
  • Fig. 6 zeigt ein vollständiges Schaltbild für eine Schaltung 11 zur Erzeugung der den Schwinger 1 speisenden elektrischen Leistung. Die Repetitionsfrequenz wird in dieser Schaltung von dem Generator 61 geliefert. Mit dem Generator 62 wird die Frequenz f der über die Leitung 13 zuzuführenden Wechselspannung, z. B. 100 kHz, gesteuert. Der Schaltungsteil 63 ist eine Treiberstufe und der Transistor 64 ist die Endstufe. Das Schaltungsteil 65 mit der Zenerdiode dient der Korrektur einer Schwankung der Versorgungsspannung 66. Die weiteren Einzelheiten der Schaltung gehen für den Fachmann ohne weiteres erkennbar aus dem Schaltbild hervor.
  • Fig. 7 zeigt ein Schaltungsbeispiel für eine Schaltung 12. Es sind mit 71 das für eine Signalverzögerung vorgesehene Schaltungsteil und mit 72 der Signalkomparator bezeichnet.' Auch dieses Schaltbild bedarf für den Fachmann keiner weiteren Erläuterung.
  • In Fig. 3 ist mit 35 ein Vorimpuls gezeigt, der zeitlich vor Ingangsetzen des eigentlichen Zerstäuberbetriebs dem Schwinger 1 zugeführt wird. Es ist dies vorzugsweise ein Burstimpuls (Schwingungspaket) mit vorteilhafterweise eins bis zwanzig Schwingungen mit einer Frequenz, die wenigstens angenähert gleich der Resonanzfrequenz des Schwingers 1 ist.
  • Der Vorimpuls stößt eine Schwingung des Schwingers 1 an und dessen Abklingschwingung 45 (in Fig. 4) wird, wie oben schon beschrieben, zur Anfangssteuerung der Frequenz f der über die Leitung 13 zuzuführenden AnregungsWechselspannung genutzt.

Claims (19)

1. Verfahren zum Betrieb eines Ultraschall-Schwingers (1) zur Flüssigkeitszerstäubung, wobei der Schwinger (1) von einer Anregungselektronik (11) mit einer elektrischen Wechselspannung gespeist wird deren Frequenz (F2), auf die optimale Schwingungsleistung des Schwingers (1) abstimmbar ist, gekennzeichnet dadurch, daß die eingespeiste elektrische Leistung (N) zeitlich repetierlich getaktet erfolgt, wobei für ein erstes Zeitintervall (Δt1) die eingespeiste Leistung (N,) so hoch bemessen ist, daß die Einsatzschwelle (E) für tatsächlich eintretende Flüssigkeitszerstäubung (5) auch bei ungünstigster Betriebs-Anschwingbedingung genügend hoch überschritten ist, wobei für ein zweites Zeitintervall (Dt2) die eingespeiste Leistung (N2) vergleichsweise zum Zeitintervall (Δt1) geringer bemessen ist und wobei der Mittelwert der eingespeisten Leistung (N, + Nz), gemittelt über die beiden Zeitintervalle (Δt1, Δt2) zusammengenommen auf die pro Zeiteinheit zugeführte, zu zerstäubende Flüssigkeitsmenge (7) angepaßt bemessen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß während eines zweiten Zeitintervalls (Δt2) keine elektrische Leistung (Nz = 0) eingespeist wird und wobei zur weiteren Flüssigkeitszerstäubung (5) in diesem zweiten Zeitintervall (Δt2) die im Schwinger (1) gespeicherte mechanische Leistung genutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge eines ersten Zeitintervalls (Δt1) 25 bis 200 % der Betriebs-Anschwingzeitkonstanten τ des Schwingers beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Repetition der Zeitintervalle (Δt1, Δt2) mit einer Frequenz (F2) von 10 bis 100 Hz erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Repetition (F2) mit der Netzfrequenz (50 oder 60 Hz) durchgeführt wird, wobei hierfür ungesiebte, gleichgerichtete Wechselspannung des Netzes zur Versorgung (14) der Anregungsschaltung (11) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß für eine Gruppe (32) bestehend aus mehreren Takten (31) aufeinanderfolgender erster Zeitintervalle (Δt1') mit einer ersten Repetitionsfrequenz (F,) eine zweite Repetitionsfrequenz (F2) mit Werten von 10 bis 100 Hz verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß die erste Repetitionsfrequenz (Fi) etwa gleich dem 0,2- bis 2-fachen des Reziprokwertes der Anschwingzeitkonstanten T des Schwingers (1) gewählt ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Anzahl der Takte (31) einer jeweiligen Gruppe (32) gleich 2 bis 10 oder 24 ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß eine obere Schwelle (S.) und eine untere Schwelle (S2) für die Schwingungsamplituden (A) des Schwingers (1) vorgegeben werden, wobei die obere Schwelle (S.) größer als die zur Zerstäubung notwendige Mindestamplitude (E) des Schwingers (1) bemessen ist und wobei der Wechsel vom jeweils ersten Zeitintervall (Δt1, Δt-') zum nachfolgenden zweiten Zeitintervall (Δt2) bei Erreichen der oberen Schwelle (S,) erfolgt und wobei der Wechsel vom zweiten Zeitintervall (Δt2) zum nachfolgenden ersten Zeitintervall (Δt1, Δt1') bei Erreichen der unteren Schwelle (S2) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß eine Auswertung des im zweiten Zeitintervall (Δt2) erfolgenden zeitlichen Abklingens der Schwingungsamplitude (A) des Schwingers (1) vorgenommen wird, wobei ein vom Schwinger geliefertes, diesem Abklingen entsprechendes elektrisches Signal (15) aufgenommen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Auswertung des elektrischen Signals (15) des Abklingens des Schwingers (1) des zweiten Zeitintervalls (Δt2) zur Überwachung (18) ordnungsgemäßen Betriebs des Schwingers genutzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet dadurch, daß das elektrische Signal (15) des Abklingens des Schwingers im zweiten Zeitintervall (Δt2) zurSteuerung des Unterbrechens und/oder (Wieder-) Einschaltens einer Flüssigkeitszufuhr (7) genutzt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, gekennzeichnet dadurch, daß das elektrische Signal (15) des Abklingens des Schwingers im zweiten Zeitintervall (Δt2) zur abgestimmten Steuerung der Flüssigkeitszufuhr (7) und der eingespeisten mittleren elektrischen Leistung (N 1 + N 2 ) benutzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet dadurch, daß das elektrische Signal (15) des Abklingens des Schwingers (1) im zweiten Zeitintervall (Δt2) zur Überwachung und Steuerung der Einspeisung für des betriebsgemäße Überschreiten der Einsatzschwelle (E) genügend hoch bemessener elektrischer Leistung (N1) während des ersten Zeitintervalls (Δt1) genutzt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet dadurch, daß die Frequenz des elektrischen Signals (15) des Abklingens des Schwingers (1) im zweiten Zeitintervall (Δt2) zur Steuerung der Frequenz (f) der Anregungswechselspannung für die Speisung des Schwingers (1) genutzt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Frequenz des elektrischen Signals (15) des Abklingens des Schwingers (1), das nach einer Speisung des Schwingers (1) mit einem anregenden Vorimpuls (35) zu erhalten ist, für die Bestimmung der Frequenz (f) der den Schwinger (1) anregenden elektrischen Wechselspannung (13) genutzt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet dadurch, daß der Vorimpuls (35) ein Burst-Signal (Schwingungspaket) mit nur wenigen Schwingungen ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet dadurch, daß durch eine geregelte Änderung der Länge der ersten und/oder der zweiten Zeitintervalle (Δt1, Δt2) die mittlere elektrische Leistung (N- + N2) unabhängig von
Schwankungen der Versorgungsspannung (66) konstant gehalten wird.
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