CC BY
21
Восточно-Европейский журнал передовым технологий ISSN 1729-3774
Стаття присвячена ство-ренню системи контролю тем-ператури п'езоелектричних перетворювачiв, як складають основу ультразвукових коли-вальних систем технологiчних апаратiв. Особливiстю роз-робленог системи контролю е використання виявлених залеж-ностей електричних параме-трiв п'езоелектричних перетво-рювачiв вид температури
Ключовi слова: ультразвук, температура, контроль, п'езо-перетворювач, непрямi вимiрю-вання
Статья посвящена созданию системы контроля температуры пьезоэлектрических преобразователей, составляющих основу ультразвуковых колебательных систем технологических аппаратов. Особенностью разработанной системы контроля является использование выявленных зависимостей электрических параметров пьезоэлектрических преобразователей от температуры
Ключевые слова: ультразвук, температура, контроль, пьезопреобразователь, косвенные измерения
_п гт_
УДК 681.586.773(045)
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
В.Н. Хмелев
Доктор технических наук, профессор* E-mail: [email protected] Р.В. Барсуков Кандидат технических наук, доцент* E-mail: [email protected] Д.С. Абрамен ко Кандидат технических наук* E-mail: [email protected] Д. В. Г е н н е Инженер* E-mail: [email protected] Е.В. Ильченко Аспирант* E-mail: [email protected] *Кафедра методов и средств измерений и автоматизации Бийский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" ул. Трофимова, 27, г. Бийск, Алтайский край, Россия, 659305 Контактный тел. (факс): 8(3854) 43-25-70
1. Введение - актуальность
Контроль температурного режима ультразвуковых колебательных систем (УЗКС) с преобразователем пьезоэлектрического типа при лабораторной и промышленной эксплуатации ультразвуковых технологических аппаратов (УТА) является одной из важнейших задач, которая решается разработчиками и эксплуататорами ультразвукового оборудования. Несоблюдение температурного режима работы УЗКС может являться причиной снижения эффективности его работы и выхода из строя ультразвукового оборудования.
Причина заключается в том, что при повышении температуры пьезокерамических элементов, входящих в состав УЗКС, вплоть до температуры Кюри, преобразовательные свойства и КПД пьезоэлектрических преобразователей уменьшаются, а при достижении температуры Кюри - полностью исчезают, ввиду
необратимых процессов, происходящих в пьезомате-риале.
Ситуация осложняется тем, что по мере ухудшения свойств пьезоэлектрических свойств керамики, система управления УТА вынуждена питать УЗКС большим напряжением, стремясь обеспечить постоянство акустических параметров аппарата. В результате деградация пьезоэлектрических свойств еще больше ускоряется.
Очевидным способом продления срока службы ультразвукового оборудования является контроль и управление температурным режимом пьезоэлектрических элементов. К сожалению, в настоящее время ультразвуковые аппараты не комплектуются системами контроля температурного режима работы пьезо-преобразователей, поскольку большинство известных методов контроля температуры не пригодны для этой цели и существенно усложняют схему УЗ технологического аппарата.
© Е
2. Основная часть
Проведенный анализ различных способов контроля параметров пьезоэлектрических преобразователей позволил выявить возможность косвенного контроля температуры пьезокерамических элементов по степени изменения их электрической емкости в процессе разогрева. К основным преимуществам данной системы можно отнести следующее:
1) отсутствие необходимости внесения новых конструктивных элементов (температурные датчики, соединительные провода и т.п.), так как в качестве термочувствительного элемента используется сам пьезокерамический элемент;
2) возможность контролировать температуру не в отдельных зонах на поверхности пьезопреобразовате-ля, а учитывать степень разогрева всего объема пьезо-керамических элементов;
3) бесконтактность системы.
3. Описание системы контроля
Электрический ток, потребляемый УЗКС при ее работе на механической резонансной частоте, складывается из тока «механической ветви» [1] и реактивного тока, протекающего по электрической емкости, обусловленной собственной электрической емкостью пьезокерамических элементов, входящих в состав УЗКС. При работе на нерезонансной частоте характер сопротивления УЗКС является чисто емкостным и величина этой емкости определяется собственной электрической емкостью пьезокерамических элементов, а также их температурой.
На рис. 1 показана выявленная зависимость электрической емкости пьезоэлементов марки ЦТС-24 от их температуры. Из представленной зависимости следует, что при изменении температуры от 25 до 100 град., электрическая емкость пьезоэлементов увеличивается примерно в 1,5 раза.
изменения емкостного тока УЗКС (при ее работе на нерезонансной частоте) контролировать изменение ее температуры.
Для практической реализации контроля предложена и разработана схема [2] (показана на рис. 2) выделения сигнала, пропорционального изменению емкостного тока, протекающего по пьезоэлементам (при работе УЗКС на нерезонансной частоте), а следовательно пропорционального и температуре пьезоке-рамических элементов.
Схема выделения сигнала, пропорционального изменению температуры пьезоэлементов УЗКС, состоит из элементов ХД1 и ХД2, которые представляют собой датчики тока, предназначенные для выделения реактивного тока, протекающего по электрической емкости Сд и тока, протекающего по электрической емкости СК, обусловленной собственной емкостью пьезокерамических элементов УЗКС.
1_
Г
Сд 1д
ТД1 -СД-
ТД2
-о
с,
I1'
5,4 ■9
О л с.
и ° 4 1
ш 4,6 4,4 4,2
25 30 35 40 45 50 55 Тег 60 лпера 65 70 75 80 85 90 тура 1 "С 95 100
Рис. 2. Схема выделения тока |К, обусловленного нагревом УЗКС: Г — генератор ультразвуковой частоты; L — согласующий индуктивный элемент
Рис. 1. Зависимость емкости пьезоэлектрического пакета от его температуры
Линейная зависимость электрического тока (при постоянной частоте и напряжении на емкости), протекающего по емкостному элементу, от его электрической емкости, фактически позволяет по величине
Величина емкости Сд выбирается равной электрической емкости «холодных» пьезокерамических элементов СК0. Сигналы с выхода токовых датчиков поступают на прямой и инверсный входы дифференциального усилителя ^ При изменении электрической емкости СК(вследствие повышения температуры ультразвуковой колебательной системы) по элементам СК и Сд начинают протекать токи разной величины, что приводит к появлению напряжения на выходе дифференциального усилителя ^ Амплитуда сигнал на выходе дифференциального усилителя равна:
и
. = ВД -и2) ,
(1)
где К - коэффициент усиления дифференциального усилителя.
и1, и2 - амплитуды напряжений, снимаемые с соответствующих токовых датчиков, которые в свою очередь зависят от величины токов, протекающих по емкостным элементам СК и Сд.
Сопротивление емкостных элементов СК и Сд определяется как:
7К = К юС '
Zд =
юСд
(2)
(3)
где ю - циклическая частота сигнала. Амплитуда электрического тока, протекающего по элементу СК, определяется как:
ственно с поверхностью кожи пациента. Поскольку представленная на рис. 2 схема используется в разрабатываемом УЗ оборудовании для выделения тока механической ветви УЗКС (сигнал необходим для работы системы ФАПЧ и системы стабилизации амплитуды) [4], было модернизировано только программное обеспечение управляющего микроконтроллера УЗ аппарата.
На рис. 3 представлена блок-схема алгоритма работы части программного обеспечения, отвечающего за контроль температуры пьезокерамических элементов УЗКС.
Начало работы УЗ аппарата начинается с нерезонансного режима работы УЗКС, поскольку необходимо проверить, что работа аппарата начинается с «холодными» пьезоэлементами.
Если температура пьезоэлементов не превышает критическую температуру, то включается резонансный режим работы УЗКС (через 5 минут цикл повторяется заново), иначе происходит отключение работы УТА.
1к = ип/2к, (4)
а ток, протекающий по элементу Сд, определяется
как:
1Д = ип,
(5)
где иП - амплитуда напряжения на элементах СК и СД.
Напряжения и1, и2 с выхода токовых датчиков ТД1 и ТД2 определяются как:
и = К I = К —
Z„
и2 = К21 = к,-^,
2 2 2 г
(6)
(7)
отсюда сигнал на выходе дифференциального усилителя равен:
и
: = кип(К1 - К2),
(8)
В случае равенства реактивных элементов гд и гк (пьезоэлементы не разогреты), напряжение иВЫХ.=0. В случае изменения значения реактивного элемента гк (разогрев пьезокерамических элементов УЗКС), напряжение иВЫХ начинает увеличиваться.
Рис. 3. Блок-схема алгоритма программы
Интервал времени, через который происходит измерение температуры в зависимости от мощности аппарата, области применения УТА, может отличаться от указанного выше.
5. Заключение
1
4. Практическая реализация
Предложенная система контроля температуры УЗКС была практически реализована и апробирована в составе ультразвукового аппарата «Надежда» [3], предназначенного для проведения лечебных и косметических процедур.
Выбор ультразвукового аппарата для лечебных процедур был обусловлен тем, что проблема контроля излучателей при проведении процедур стоит очень остро, поскольку излучатели контактируют непосред-
Предложена и разработана система контроля, основанная на косвенном измерении температуры пьезо-керамических элементов, входящих в состав УЗКС по изменению их электрической емкости.
Отличительной особенностью работы ультразвуковых аппаратов с интегрированной системой контроля температуры является необходимость проверки работы УЗКС переводом ее в нерезонансный режим работы (для проведения измерений), что занимает около 0,3 сек и для большинства технологий не является критическим.
Система контроля не предполагает высокой точности измерений температуры, что не снижает ее ценности, поскольку в большинстве случаев необходима информация о приближении к некой (заданной разработчиком) критической температуре, а не точное значение температуры УЗКС в любой момент времени.
Практическая реализация системы контроля в составе технологического аппарата требует минимум материальных затрат, не требует модернизации конструкции УЗКС и реализуется в составе любых УЗ технологических аппаратов с преобразователями пьезоэлектрического типа.
Литература
1. Пьезоэлектрические преобразователи [Текст]: Справочник/ под. ред. Пугачева. - Л.: Судостроение, 1984. - 256с.
2. Хмелев, В.Н. Управление работой электронного генератора при ультразвуковом воздействии на кавитирующие технологические среды [Текст] / В.Н. Хмелев, Р.В. Барсуков, А.В. Шалунов // Известия Тульского государственного университета. Серия «Технологическая системотехника». - 2004. - Выпуск 2.
3. Ультразвуковой массажер серии «Нежность» [Электронный ресурс] Режим доступа http://www.u-sonic.com/catalog/appara-ty_meditsinskogo_naznacheniya/ultrazvukovoy_massazher_serii_nezhnost_02/.
4. Леонов, Г.В. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве [Текст]: Монография / Г.В. Леонов, В.Н. Хмелев, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов - Барнаул: АлтГТУ, 2007. - 400с.
Abstract
The article is devoted to the development of a temperature control method of piezoelectric transducers of ultrasonic vibrating systems. Temperature control is an actual task for two reasons:
1. The piezoelectric transducers efficiency can be decreased and ultrasonic equipment can be failured at noncompliance temperature mode.
2. Overheating of piezoelectric transducers may cause excessive heat of ultrasonic emitter. This is inadmissible in medical technologies
The essence of this method is indirect control of the piezoelectric transducer temperature by measuring its changing of electrical capacity at the heating process.
The main advantages of the proposed method are: no introduce new elements into construction; control of the temperature, not in separate areas on the surface of the piezoelectric transducer, but to consider the degree of entire piezoelectric elements heating; contactless measurement.
In the article the scheme of separating the signal which is proportional to the change of capacitive piezoelectric elements current is provided. This scheme is used for practical implementation of the temperature control of piezoelectric elements. Also flowchart of a program accomplish such control is provided. In the article there is some experimental data on changing electrical capacity caused by changing piezoelectric elements temperature.
The proposed temperature control system was practically implemented and tested in the ultrasonic device "Nadezhda", intended for medical and cosmetic procedures
Keywords: Ultrasound, temperature, control, piezoelectric transducer, indirect measurement
