Ультразвук и его применение

6. Для выполнения отверстий диаметром более 3 мм используются специальные рабочие инструменты (рис. ж), выполненные в виде полых трубок необходимого диаметра. Рабочие инструменты такой конструкции для УЗ многофункционального аппарата N3 имеют максимальный диаметр 15 мм, а для УЗ многофункционального аппарата N4 максимальный диаметр 25 мм.

При выполнении всех перечисленных типов инструментов необходимо обеспечивать равенство резонансных частот колебательной систем со всеми рабочими инструментами. Для этого их масса должна быть одинаковой.

Для быстрой смены всех инструментов используются лыски на боковой поверхности вблизи места контакта с поверхностью концентратора. На цилиндрическом участке поверхности концентратора также выполняются лыски под ключ. При необходимости выполнения специальных технологических операций, таких как распыление жидкостей, дозированная подача одной жидкости для растворения в другой, растворение вредных газов в жидкости, обработка полимеризующихся смол и т.п., используются рабочие инструменты со сквозным осевым отверстием. В этом случае в колебательной системе также выполняется сквозное отверстие вдоль оси. Такая колебательная система может дополнительно комплектовать УЗ многофункциональный УЗ аппарат N4, повышая его функциональные возможности.

При использовании же УЗ многофункциональных аппаратов индивидуальными потребителями и в домашнем хозяйстве, когда общее число часов эксплуатации не превышает нескольких сотен, применение сменных инструментов не оправдано, так как это усложняет аппарат, увеличивает его стоимость, требует комплектации аппарата приспособлениями для смены инструмента. В этом случае, с одной стороны, рабочий инструмент должен выполняться как одно целое с концентратором и, с другой стороны, должен быть максимально многофункциональным (хоть и с меньшей эффективностью, но выполнять все функции, предусмотренные в многофункциональном аппарате).

Наиболее эффективным и наиболее функциональным в этом случае будет рабочий инструмент, показанный на рис. 3.8. и представляющий собой выполненный заодно с концентратором 1 полый конус 2, соединенный своей вершиной с торцевой поверхностью цилиндрического участка концентратора.

При внешнем диаметре инструмента d = 7 мм и толщине стенок конуса в 1 мм, поверхность излучения такого инструмента составляет не менее 1,5 см²

Сложная форма поверхности рабочего инструмента обеспечивает его многофункциональность и высокую эффективность. Так, внутренняя конусная поверхность рабочего инструмента обеспечивает направленное излучение УЗ колебаний вдоль акустической оси колебательной системы в направлении дна обрабатываемого объема и обеспечивает интенсивные гидродинамические потоки. Внешняя конусная поверхность рабочего инструмента обеспечивает излучение УЗ колебаний в направлении свободной поверхности жидкости в обрабатываемом объеме. Конусность поверхности и высокое качество поверхности исключают задерживание молекул воздуха (т.е. кавитационных пузырьков) на поверхности. Это обеспечивает стабильность сопротивления излучения и сводит к минимуму кавитационное разрушение поверхности (делает инструмент долговечным).

Наличие цилиндрического участка на внешней поверхности рабочего инструмента обеспечивает возможность выполнения отверстий диаметром 7 мм. Плоский участок торцевой поверхности инструмента позволяет осуществлять операции по УЗ сварке, интенсификации склеивания и т.п. Плоский участок в вершине внутреннего конуса и сама внутренняя поверхность позволяют использовать дополнительный рабочий орган в виде иглы, шарика и т.п., не прикрепляя его жестко к колебательной системе. Наличие острой кромки на участке соприкосновения торцевого и цилиндрического участков, позволяет осуществлять резку тонких листовых материалов

Рис. Форма многофункционального рабочего инструмента.

Таким образом, рассмотренный рабочий инструмент, жестко соединенный с концентратором колебательной системы, обеспечивает многофункциональность УЗ технологических аппаратов для индивидуального потребителя и домашнего хозяйства (аппаратов N1 и N2).

Для крепления УЗ колебательной системы в корпусе используется кольцевая опора, выполненная заодно с рабочей накладкой - концентратором. Эта кольцевая опора соединена с колебательной системой в плоскости узла смещения, где амплитуда колебаний мала. В месте присоединения опоры имеют небольшую толщину (от 1 до 3 мм). Однако, даже при столь малой толщине передача УЗ энергии в корпус не может быть сведена к минимуму, т.к. в узловой плоскости, кроме стоячих, возникают и бегущие волны.

Для защиты пользователя от воздействия УЗ колебаний, крепление колебательной системы в корпусе осуществляется с помощью опоры и изолирующих полимерных и резиновых прокладок.

2.2. Генераторы ультразвуковых колебаний

2.2.1. Общая характеристика

Для питания ультразвуковых преобразователей колебательных систем используются источники электрической энергии - генераторы, обеспечивающие преобразование энергии промышленной частоты (50 Гц) в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты.

Поскольку резонансная частота колебательной системы может изменяться не только при использовании различных рабочих инструментов, но и при осуществлении различных технологических операций, генераторы для многофункциональных ультразвуковых аппаратов должны выполняться универсальными, т.е. иметь необходимый диапазон изменения параметров выходного сигнала и обеспечивать согласование с различными, и изменяющимися во времени, нагрузками.

Изменение резонансной частоты колебательных систем происходит из-за нагревания пьезокерамических материалов, отражающей и излучающей металлических накладок (нагрев до 100 ^о С снижает резонансную частоту на 0,5....1 кГц). Изменение акустических свойств обрабатываемых сред может изменять резонансную частоту колебательной системы на 0,5 кГц.

Кроме того, рабочая частота генератора может изменяться из-за температурной нестабильности частотно - задающих элементов электронных схем.

Для компенсации внешних воздействий на параметры колебательных систем и обеспечения возможности использования различных по функциональным назначениям рабочих инструментов, в генератора используются механические регулирующие устройства и системы электронной автоподстройки частоты и стабилизации амплитуды колебаний.

Современные УЗ генераторы выполняются полностью на полупроводниковых электронных компонентах. Это стало возможным в последние годы, в связи с созданием транзисторов, работающих при высоких рабочих межэлектродных напряжениях (более 500 В), рассеивающих большие мощности (более 100 Вт) и имеющих малые времена переключения.

Применение таких транзисторов позволило создать генераторы необходимого мощностного диапазона. Высокие рабочие напряжения современных транзисторов позволили реализовать электрические схемы генераторов с безтрансформаторными источниками питания, что обеспечило многократное снижение габаритных размеров и массы технологических аппаратов.

Использование высокоскоростных мощных транзисторов позволило применить схемы двухтактных выходных каскадов, в которых транзисторы работают в режиме переключения. В этом режиме рабочие точки транзисторов во время основной части периода находятся в областях насыщения и отсечки, обеспечивая минимальную мощность рассеивания в цепи коллекторов и высокий КПД (более 85%).

При использовании режима переключения напряжение на выходе генератора имеет прямоугольную форму. Нечетные гармоники имеют значительный вес и приводят к дополнительным потерям в транзисторах и колебательной системе.

Для исключения влияния высших гармоник, согласование генератора с колебательной системой осуществляется с помощью корректирующих фильтров, которые на основной частоте приводят входное сопротивление нагрузки к активной величине, а на высших гармониках значительно повышают комплексное сопротивление нагрузки.

В качестве корректирующих элементов используются цепи из реактивных элементов. На рис. показана схема включения УЗ колебательной системы с пьезоэлектрическими активными элементами.

Рис. Эквивалентная схема включения колебательной системы

В такой схеме корректирующий фильтр образуется собственной электрической емкостью пьезоэлементов С _п и индуктивностью дросселя L. На основной частоте параллельное соединение собственной емкости пьезоэлементов С _п и активного сопротивления потерь R совместно с индуктивностью L дросселя обеспечивает резонанс на основной частоте.

Введение корректирующих фильтров обеспечивает косинусоидальную форму токов через транзисторы усилителя мощности, что создает наиболее благоприятные условия для переключения транзисторов и обеспечивает расширение частотного диапазона генераторов.

Все ультразвуковые генераторы выполняются многокаскадными. Каждый каскад усиления генераторов работает в режиме переключения. Для обеспечения наилучших условий работы транзисторы включаются с общим эмиттером. Выходные каскады генераторов выполняются по двухтактным полумостовым схемам, обеспечивающим минимальные искажения усиливаемых сигналов и выходные мощности до 500 Вт.

Генераторы ультразвуковых многофункциональных аппаратов выполняются по схемам с независимым возбуждением, по схемам с самовозбуждением и по схемам с автоподстройкой частоты.

2.2.2. Ультразвуковые генераторы с независимым возбуждением

Большую часть времени генератор с независимым возбуждением работает не в оптимальном режиме (т.е. вблизи, а не на резонансной частоте колебательной системы), что приводит к дополнительным потерям энергии и снижению КПД.

Рис. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением.

Поэтому, при очевидной простоте схемного решения , генераторы с независимым возбуждением не пригодны для использования в многофункциональных аппаратах большой мощности.

2.2.3. Генераторы с самовозбуждением

Рис. Принципиальная схема генератора мощностью 40вт

Рис.Принципиальная схема генератора с самовозбуждением мощностью 160 вт.

УЗ аппарат содержит усилитель на транзисторах VT2 и VT3 , работающих в режиме переключения, что позволяет обеспечить максимальный коэффициент преобразования биполярного напряжения питания в электрические колебания УЗ частоты. Нагрузкой усилителя являются последовательно включенные через разделительный

конденсатор С4, компенсирующий дроссель L и первичная обмотка выходного трансформатора TR3. Ко вторичной обмотке трансформатора TR3 подключена рабочая колебательная система ZQ1, содержащая пьезоэлектрический преобразователь, согласующий концентратор и рабочий орган, для ввода УЗ колебаний в обрабатываемые материалы, объекты и среды.

Компенсирующий дроссель L и трансформатор TR3 обеспечивают согласование усилителя с рабочей колебательной системой. Схема выделения сигнала обратной связи, являющаяся одновременно схемой настройки и регулирования параметров аппарата, содержит последовательно включенные конденсаторы С1, С2, С3 и первичную обмотку трансформатора TR1. Выделенный сигнал подается на последовательно включенную со схемой выделения сигнала обратной связи первичную обмотку трансформатора TR2.

Параллельно вторичной обмотке трансформатора TR1 подключен резистивный элемент R1, сопротивление которого может изменяться механическим или электронным способом (например, переменный резистор для ручной регулировки аппарата или электронная схема с перестраиваемым выходным сопротивлением для автоматизированной перестройки аппарата).

Схема выделения сигнала обратной связи с последовательно подключенной к нему первичной обмоткой трансформатора TR2 соединена с выходом усилителя на транзисторах VT2 и VT3 через комплексное сопротивление, представляющее собой выходное сопротивление усилителя и разделительный конденсатор C4, т.е. подключена параллельно схеме согласования усилителя с рабочей колебательной системой. Обмотки трансформатора TR1 выполнены на общем магнитопроводе. Применение вторичной обмотки трансформатора TR1, расположенной на одном магнитопроводе с первичной обмоткой, позволяет за счет изменения величины нагрузочного сопротивления R1 (или выходного сопротивления перестраиваемых электронных схем) изменять индуктивность первичной обмотки трансформатора TR1 Изменение индуктивности первичной обмотки трансформатора TR1 обеспечивает перестройку схемы обратной связи.

Для пояснения работы аппарата предположим, что при подключении рабочей колебательной системы, используемой для осуществления определенного технологического процесса, не обеспечивается режим самовозбуждения УЗ аппарата из-за отсутствия баланса фаз и амплитуд. В предложенном УЗ аппарате фазовые соотношения между напряжением в точке между конденсатором C4, и дросселем L и выходным током усилителя приводят к изменению формы напряжения обратной связи на входе усилителя за счет наличия конечного выходного сопротивления усилителя. В этом случае небаланс фаз и амплитуд приводит к тому, что нагрузка усилителя может носить индуктивный характер и тогда сигнал обратной связи на входе усилителя начинает опережать по фазе выходной сигнал, или может носить емкостной характер и тогда, выходной сигнал опережает сигнал обратной связи.

В обоих случаях изменение сопротивления R1 обеспечивает изменение индуктивности первичной обмотки трансформатора TR1 и перестройку параметров схемы обратной связи. Перестройка обратной связи приводит к изменению фазовых соотношений на входе и выходе усилителя и при определенной величине сопротивления R1 обеспечивается условие самовозбуждения. При этом происходит изменение частоты генерации до величины, равной частоте механического резонанса рабочей колебательной системы, и УЗ генератор работает в режиме самовозбуждения.

Таким образом, за счет изменения сопротивления R1 частотно зависимая обратная связь обеспечивает перестройку частоты генерации до частоты механического резонанса и в начальный момент обеспечивает работу с любой из необходимых рабочих колебательных систем.

При этом на выходе усилителя можно установить определенный сдвиг фаз, обеспечив режим самовозбуждения на частоте, близкой к частоте механического резонанса. Поэтому, обеспечив работу аппарата на частоте, близкой к резонансной, можно снизить интенсивность УЗ колебаний, возбуждаемых в обрабатываемой среде или объекте, т.е. установить оптимальный режим ведения процесса. Такое же изменение, можно осуществлять в процессе эксплуатации аппарата, оперативно изменяя режимы УЗ воздействия.

При настройке аппарата для работы в режиме самовозбуждения с выбранной рабочей колебательной системой или необходимыми рабочими инструментами обеспечивается проведение определенного технологического процесса. В ходе проведения этого процесса может происходить изменение параметров колебательной системы (за счет нагревания пьезоэлементов и материала накладок, изменений условий ввода колебаний и т.п.). В этом случае, изменение частоты механического резонанса рабочей колебательной системы, происходящее в небольших пределах, приводит также к изменению характера нагрузки ( т.е. нагрузка, приведенная ко входу генератора, начинает носить индуктивный или емкостной характер) и в небольших пределах к изменению фазовых соотношений между током и напряжением на выходе усилителя. В обоих случаях для сохранения условий самовозбуждения, т.е. сохранения на выходе усилителя первоначально установленного сдвига фаз, автоматически осуществляется изменение частоты генерации в небольших пределах до величины, равной резонансной частоте колебательной системы, и условие самовозбуждения постоянно выполняется.

Таким образом, рассмотренный УЗ генератор позволяет осуществлять технологические процессы с помощью различных рабочих колебательных систем или одной колебательной системы с различными рабочими инструментами, регулировать выходные параметры аппарата, в частности интенсивность УЗ колебаний, в ходе настройки и эксплуатации аппарата, а также обеспечивает сохранение условий первоначально установленного режима самовозбуждения в процессе эксплуатации при изменении параметров колебательной системы и условий воздействия УЗ колебаний на объекты, среды и материалы. Принципиальная схема генератора содержит также реле времени, выполненное на элементе DD1 и обеспечивающее включение технологического аппарата на время проведения технологического процесса. На транзисторе VT1 выполнена схема стабилизации амплитуды колебаний генератора.

Перечисленные достоинства делают рассмотренные генераторы пригодными для комплектации многофункциональных УЗ аппаратов мощностью от 40 до 160 Вт..

Основное достоинство генераторов с самовозбуждением - простота конструкции и удобство эксплуатации. Однако, изготовление таких генераторов требует очень точной предварительной балансировки схемы согласования генератора с колебательной системой и схемы выделения сигнала обратной связи. Кроме того, генераторы с самовозбуждением, не обеспечивают автоматическое изменение параметров генератора (рабочей частоты) в очень широких пределах, например, при изменении параметров акустической нагрузки от газовой среды до твердого тела. Для решения подобных задач используются генераторы с независимым возбуждением , выполненные по схемам с автоподстройкой частоты.

2.2.4. Генераторы с автоподстройкой частоты

1. Устройства, позволяющие получать сигнал обратной связи путем контроля параметров электрической цепи, соединяющей генератор с колебательной системой.

2. Устройства, регистрирующие механические колебания ультразвуковой колебательной системы.

3. Устройства, регистрирующие ультразвуковые колебания в обрабатываемых средах.

Устройство третьего типа не пригодно для использования в многофункциональных УЗ аппаратах из-за многообразия используемых рабочих объемов и необходимости выполнения различных технологических операций.

Устройство второго типа требует применения специальных преобразователей, соединения их с рабочей колебательной системой. Это усложняет конструкции колебательных систем и на практике используется крайне редко.

Поэтому, наиболее широкое распространения получили устройства третьего типа, в которых в качестве сигнала обратной связи используется составляющая тока скомпенсированного преобразователя, соответствующая, при определенных условиях, значению тока в механической ветви преобразователя.

Для получения сигнала обратной связи цепь согласования генератора и колебательной системы дополнена трансформатором Т3. Индуктивность компенсирующего L1, при оптимальной компенсации собственной емкости колебательной системы, обеспечивает равенство тока в первичной обмотке трансформатора Т3, току в механической ветви преобразователя.

Рис. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением и автоподстройкой частоты.

Сигнал обратной связи подается на задающий генератор и обеспечивает его перестройку в соответствии с изменениями параметров колебательной системы и акустических свойств обрабатываемой среды.

Кроме перестройки рабочей частоты задающего генератора сигнал обратной связи используется для стабилизации амплитуды колебательной системы. Для этого сигнал обратной связи подается на предварительный усилитель и изменяет параметры усиления.

Для включения генератора не заданный промежуток времени используется таймер на элементах D.D1.3. и D.D.3 .

Рассмотренный генератор с независимым возбуждением, выполненный по схеме с автоматической подстройкой частоты обеспечивает отслеживание всех возможных изменений собственной резонансной частоты колебательной системы и параметров обрабатываемых сред, стабилизацию амплитуды колебаний рабочего инструмента.

Достоинства такого генератора позволили использовать их в многофункциональных УЗ аппаратах мощностью 160 и 400.

Однако, при изготовлении ультразвуковых аппаратов, предназначенных для длительной эксплуатации а производственных условиях используют более сложные схемы генераторов с независимым возбуждением и автоматической подстройкой частоты. Одна из таких схем представлена на рис. (задающий генератор, схемы управления и предварительный усилитель) и рис. (источники питания, усилитель мощности и схемы формирования сигнала обратной связи и защиты генератора ).

Отличительной особенностью показанного на рис. генератора является выполнение задающего генератора на специализированной микросхеме D.D.1 управляемого генератора (типа 561ГГ1). Предусмотренная в генераторе регулировка выходной мощности осуществляется с использованием схемы широтно - импульсной модуляции, обеспечивающей формирование изменяющихся по длительности прямоугольных импульсов и подачу их на предварительный усилитель, выполненный на транзисторах VT8 - VT11. В выходном каскаде - усилителе мощности предусмотрено измерение токов, протекающих через выходные транзисторы. При превышении тока, протекающего через транзисторы, определенной величины, установленной резистором R9, вырабатывается сигнал защиты, выключающий генерацию в задающем генераторе и исключающий протекание через транзисторы выходного каскада недопустимых по величине токов. Передача сигнала защиты от выходного каскада к задающему генератору осуществляется через оптрон VU1.

Рис. Принципиальная схема предварительных каскадов генератора повышенной мощности.

Рис. Принципиальная схема выходных каскадов генератора повышенной мощности.

Сигнал обратной связи формируется с помощью дифференциального трансформатора TR4. Получаемый на выходной обмотке этого трансформатора сигнал пропорционален току механической ветви ультразвуковой колебательной системы и обеспечивает перестройку задающего генератора в соответствии с изменениями параметров колебательной системы и акустических параметров обрабатываемых сред.

Для обеспечения согласования генератора с различными колебательными системами используются перестраиваемые выходной трансформатор TR3 и компенсирующий дроссель L4.

2.3. Конструкции многофункциональных аппаратов

2.3.3. Многофункциональный ультразвуковой аппарат мощностью 160 вт. (электронный фитомиксер "алёна")

Ультразвуковые методы исследования занимают одно из ведущих мест в современной клинической медицине. Этому способствует ряд факторов и, прежде всего достоверность получаемых результатов, доступность и относительная простота процедуры. В начале 80-х годов в нашей стране появились первые медицинские аппараты УЗИ-диагностики, позволяющие не только получать снимки на специальной фотобумаге, но также и создавать базу данных снимков. К недостаткам таких машин можно отнести то, что врач мог лишь вызвать картинку на экран монитора, но не имел возможности работать с ней (увеличивать области, выделять зоны, измерять дистанцию, описывать снимок на компьютере и хранить это описание в базе данных). Лишь несколько лет назад благодаря техническому прогрессу такие системы получили дальнейшее развитие. Появились новые мощные платформы, мониторы с высокими разрешениями и минимальной кривизной поверхности экрана, стали стандартом сети с высокой пропускной способностью.

Современные успехи клинической диагностики во многом определяются совершенствованием методов исследования. Значительный скачек в этом вопросе был достигнут благодаря разработке и внедрению в практику принципиально новых способов получения медицинского изображения, в том числе ультразвукового метода. Чрезвычайно ценным является способность эхографии визуализировать внутреннюю структуру паренхиматозных органов, что было недоступно традиционному рентгенологическому исследованию. Благодаря высокой информативности и достоверности ультразвукового метода диагностика многих заболеваний и повреждений поднялась на качественно новый уровень. В настоящее время, наряду с компьютерной томографией и другими современными методами, ультразвуковая диагностика используется повсеместно, являясь одним из ведущих диагностических методов во многих разделах клинической медицины.

В последние годы, в связи с очень широким распространением ультразвуковой аппаратуры, ее доступностью для любых даже очень небольших медицинских учреждений назревает потребность в специалистах, в совершенстве владеющих методикой и техникой ультразвукового исследования.

3.1.2. Биофизика ультразвука