УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Предлагаемое техническое решение - полезная модель относится к области ультразвуковой техники, а именно к устройствам контроля параметров преобразователей пьезоэлектрического типа, входящих в состав ультразвуковых (УЗ) аппаратов различного технологического назначения.
Ультразвуковой технологический аппарат состоит из двух основных узлов: электронного генератора ультразвуковой частоты и ультразвуковой колебательной системы (УЗКС), основу которой составляет преобразователь электрических колебаний в механические ультразвуковой частоты. Электронный генератор обеспечивает формирование электрических колебаний ультразвуковой частоты, установления и поддержания требуемых параметров амплитуды выходного сигнала, подверженной модуляциям, связанным с изменением акустической нагрузки, прикладываемой к ультразвуковой колебательной системе, поиск и удержание в процессе работы резонансной частоты колебательной системы, обнаружение нерегламентных режимов работы ультразвукового аппарата и принятие решения о приостановке работы. Ультразвуковая колебательная система предназначена для преобразования энергии электрических колебаний в механические колебания ультразвуковой частоты и введения их в обрабатываемые среды. Ультразвуковая колебательная система состоит из электромеханического преобразователя, выполняющего преобразование электрических колебаний, поступающих с электронного генератора, в механические колебания соответствующей частоты, волноводной конструкции, как правило, представляющей собой стержень переменного сечения, призванной обеспечить трансформацию скоростей или трансформацию вида колебаний, формируемых электромеханическим преобразователем, а также их передачу в рабочую зону и рабочего инструмента, предназначенного для введения ультразвуковых колебаний требуемой интенсивности в обрабатываемую технологическую среду. В качестве электромеханического преобразователя, как правило, применяют преобразователи магнитострикционного или пьезоэлектрического типов. Наибольшее распространение, в настоящее время, получили пьезоэлектрические преобразователи.
Современные пьезоэлектрические преобразователи строятся на основе кольцевых элементов из пьезокерамики. Пьезокерамические материалы получили широкое распространение благодаря относительно низкой стоимости, легкости изготовления из нее излучателей различной формы. Одним из ограничений, накладываемых на ультразвуковые колебательные системы, построенные на основе пьезоэлектрических преобразователей, являются требования к температурному режиму работы. Это ограничение связано с физическими свойствами пьезокерамических материалов: при повышении температуры пьезокерамики вплоть до определенной температуры (температуры Кюри), преобразовательные свойства и КПД пьезопреобразователей уменьшаются, а при достижении температуры Кюри - полностью исчезают, в виду необратимых процессов, происходящих в пьезоэлектрическом материале [1].
К перегреву пьезокерамического преобразователя может приводить целый ряд факторов, а именно:
- выделение тепла, связанное с внутренним механическим трением в материале пьезокерамики;
- нагрев пьезокерамики, вызванный протеканием через нее переменного тока;
- нагрев пьезокерамики, связанный с передачей тепла от материала пассивного звена преобразователя и рабочего инструмента;
- нагрев обрабатываемой технологической среды.
В связи с этим, для обеспечения оптимальных режимов работы и исключения перегрева, возникает необходимость контроля температуры пъезопреобразователей на всех стадиях их применения (при настройке и эксплуатации аппаратов), создания и применения в составе аппаратов устройств контроля температуры пьезопреобразователей.
На сегодняшний день существует ряд устройств контроля в составе ультразвуковых аппаратов, так или иначе реализующих контроль температуры пьезоэлектрического преобразователя. Так в пат. США №5803362 A от 8 сентября 1998 г., «Ультразвуковой аппарат для образования аэрозоля», устройство контроля температуры
пьезоэлектрического преобразователя имеет узел выделения информационного сигнала в виде термистора с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, установленного в непосредственном контакте с поверхностью пьезоэлектрического преобразователя. Устройство контроля температуры призвано ограничивать мощность, подводимую к пьезоэлектрическому преобразователю до уровня, соответствующего некритическому нагреву.
Устройства контроля температурного режима работы пьезоэлектрического преобразователя зачастую используются в медицинской технике, в частности в медицинских устройствах ультразвуковой визуализации. Такие устройства используют в качестве узла выделения информационного сигнала дополнительные температурные сенсоры, как в патенте США №6905466 B2 «Система и метод контроля температуры преобразователя для ультразвуковой визуализации с использованием обратной связи», в котором описывается устройство контроля ультразвукового преобразователя при помощи температурного датчика, размещенного в непосредственном контакте с пьезоэлектрическим преобразователем.
Наиболее близким, по технической сущности к предлагаемому является устройство контроля температуры ультразвукового пьезопреобразователя, используемое в аппарате американской фирмы «Ethicon Endo-Surgery, Inc.», выполненное по патенту США №20090036914 A1 «Ультразвуковой хирургический аппарат с контролируемой температурой» от 5 февраля 2009 г., принятое за прототип.
Устройство контроля температуры ультразвукового пьезопреобразователя, принятое за прототип входит в состав ультразвукового аппарата, предназначенного для проведения хирургических операций. В ультразвуковом хирургическом аппарате, содержащем устройство, принятое за прототип, необходимость контроля температуры ультразвукового пьезопреобразователя связана со спецификой его использования - обеспечения сварки биологических тканей пациента. Поддержание температуры рабочего окончания около 50°C является одним из условий протекания процесса сварки тканей без их обезвоживания.
В устройстве, принятом за прототип узел выделения информационного сигнала выполнен в виде измерителя резонансной частоты ультразвуковой системы и по изменению частоты определяет ее температуру. Например, когда температура рабочего окончания возрастает, частота падает. Соотношение между изменением частоты и температурой определяется расчетным путем и занесено в память управляющего контроллера ультразвукового генератора.
Устройство, принятое за прототип, имеет ряд существенных недостатков:
- при эксплуатации ультразвуковых технологических аппаратов изменение резонансной частоты преобразователя не является однозначным показателем изменения температуры пьезопреобразователя. Обусловлено это тем, что рабочая (резонансная частота) ультразвукового пьезопреобразователя при реализации технологических процессов может изменяться в связи с изменением свойств (вязкость, дисперсность) технологической среды при неизменной ее температуре. Наиболее ярким примером, иллюстрирующим это, является работа устройства, принятого за прототип, при УЗ обработке жидких технологических сред в кавитационном режиме. По мере увеличения интенсивности излучения, степень развития кавитации возрастает, обрабатываемая среда все больше насыщается парогазовыми пузырьками, что приводит к росту рабочей частоты ультразвукового преобразователя;
- изменение рабочей частоты ультразвукового преобразователя может быть связано с изменением параметров самого излучателя, что в случае аппаратов для обработки жидких технологических сред связано с кавитационным износом рабочего инструмента, а в случае размерной обработки (например ультразвуковое сверление) связано с фрикционным износом рабочего инструмента;
- при длительной эксплуатации ультразвукового оборудования наблюдается уход резонансной частоты, связанный с ослаблением резьбовых соединений, используемых для сочленения элементов ультразвуковой колебательной системы;
- в связи с тем, что устройство, принятое за прототип, осуществляет контроль средней температуры всей колебательной системы, невозможно проконтролировать прогрев внутренних слоев пьезоэлемента, перегрев которых может привести к их деполяризации.
Таким образом, выявленные существенные недостатки прототипа снижают точность контроля температуры и ограничивают область его возможного применения.
Предлагаемое техническое решение - полезная модель - направлено на устранение перечисленных недостатков прототипа, а именно на выбор узла выделения информационного сигнала способного учитывать прогрев внутренних слоев пьезокерамических элементов.
Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном устройстве контроля температуры ультразвуковых пьезопреобразователей, содержащем узел выделения информационного сигнала, в качестве узла выделения информационного сигнала используются токовые датчики, один из которых включен последовательно в цепь питания пьезопреобразователя, а второй последовательно в цепь опорной емкости, подключенной параллельно пьезопреобразователю, величина опорной емкости равна электрической емкости неработающего преобразователя, выходы токовых датчиков соединены с прямым и инверсным входами дифференциального усилителя, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный изменению температуры преобразователя.
Достигаемым техническим результатом является повышение точность контроля температуры пьезопреобразователя, расширение области его возможного применения для реализации контроля при обработке различных технологических сред за счет использования в качестве термочувствительного датчика пьезокерамических элементов пьезопреобразователя. Использование зависимости собственной электрической емкости пьезопреобразователя от температуры и построение узла выделения информационного сигнала на использовании этого свойства пьезоматериала, позволяет исключить влияние свойства технологических сред и их изменений в процессе работы УЗ технологического аппарата.
Сущность предложенного технического решения поясняется фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1, в виде эквивалентной электрической схемы замещения, в соответствии с системой электромеханических аналогий [2], схематично показана УЗКС с преобразователем пьезоэлектрического.
K
Для пояснения сущности устройства, в представленной эквивалентной схеме выделяют две ветви: электрическую и механическую. Электрическая ветвь представляет собой статическую емкость пьезокерамического преобразователя C.
M
M
п
S
Механическая ветвь содержит последовательно соединенные индуктивные, емкостные и активные элементы, определяемые свойствами обрабатываемой среды. Согласно существующим представлениям [2] индуктивность L эквивалентна колеблющейся массе преобразователя, емкость C - гибкости, активное сопротивление включает два слагаемых: R - соответствующее сопротивлению механических потерь; R -соответствующее сопротивлению излучения.
При работе УЗКС на своей собственной резонансной частоте ток, потребляемый ультразвуковой колебательной системой, складывается из тока механической ветви и тока электрической ветви.
В случае работы УЗКС на нерезонансной частоте весь ток, потребляемый УЗКС, протекает только через электрическую ветвь, при этом характер сопротивления является чисто емкостным, а величина этой емкости определяется собственной электрической емкостью пьезокерамических элементов. Это позволяет исключить влияние технологический сред и параметров самой колебательной системы и выделять ток, протекающий через собственную емкость пьезоэлементов.
Известно, что существует зависимость между диэлектрической проницаемостью пьезоматериала и его температурой [3]. Следовательно, измеряя емкость пьезоэлектрического преобразователя, можно получить сведения о его температуре.
Наличие зависимости электрического тока (при постоянной частоте и напряжении на емкости), протекающего по емкостному элементу, от его электрической емкости, фактически, позволяет по величине изменения емкостного тока, протекающего через УЗКС (при ее работе на нерезонансной частоте) контролировать емкость и, следовательно, температуру ее пьезокерамических элементов.
Устройство контроля температуры ультразвуковых пьезопреобразователей, схематично представлено на фиг.2.
Д
K
Д
K
Д
K
Д
K
Оно состоит из токовых датчиков ТД1 и ТД2, дополнительной электрической емкости C, дифференциального усилителя U. Элемент C обусловлен статической емкостью пьезоэлектрического преобразователя УЗКС. Элементы Г и L не относятся к схеме предлагаемого узла измерения и представляют собой генератор электрических колебаний УЗ частоты и согласующий элемент соответственно. Величина емкости элемента C выбирается равной величине емкости C, которая измерена при нормальных условиях. Токовые датчики ТД1 и ТД2 включены последовательно элементам C и C соответственно, и предназначены для выделения сигналов, пропорциональных токам, протекающим по элементам C и C.
Д
K
Д
К
K
K
Д
Устройство контроля температуры ультразвуковых пьезопреобразователей работает следующим образом. В процессе работы ультразвукового генератора Г на частоте, отличной от резонансной частоты УЗКС, по элементам C и C начинают протекать электрические токи I и I соответственно, при этом сигналы, формируемые на выходах токовых датчиков ТД1 и ТД2, поступают на прямой и инверсный входы дифференциального усилителя U. При изменении электрической емкости C (вследствие повышения температуры ультразвуковой колебательной системы) по элементам C и C начинают протекать токи разной величины, что приводит к появлению напряжения на выходе дифференциального усилителя U. Амплитуда сигнала на выходе дифференциального усилителя равна:
где К - коэффициент усиления дифференциального усилителя.
1
2
K
Д
U, U - амплитуды напряжений, снимаемые с соответствующих токовых датчиков, которые в свою очередь зависят от величины токов, протекающих по емкостным элементам C и C.
K
Д
Сопротивление емкостных элементов C и C определяется как:
где ω - циклическая частота сигнала.
K
Амплитуда электрического тока, протекающего по элементу C, определяется как:
Д
а ток, протекающий по элементу C, определяется как:
П
K
Д
где U - амплитуда напряжения на элементах C и C
1
2
Напряжения U, U с выхода токовых датчиков ТД1 и ТД2 определяются как:
1
2
где К и К - коэффициенты передачи токовых датчиков ТД1 и ТД2. Отсюда сигнал на выходе дифференциального усилителя равен:
1
2
Д
K
выш
K
ВЫХ
Коэффициенты передачи токовых датчиков К и К выбираются такими, что при нерезонансном режиме в случае равенства реактивных сопротивлений Ζ и Ζ (пьезоэлементы имеют температуру соответствующую нормальным условиям) напряжение U=0. В случае изменения значения реактивного элемента Ζ (разогрев пьезокерамических элементов УЗКС) напряжение U начинает увеличиваться.
Предлагаемое техническое решение было реализовано и апробировано в составе ультразвукового аппарата «Нежность» [4], предназначенного для проведения лечебных и косметических процедур, в котором сигнал с выхода дифференциального усилителя U используется системой управления мощностью генератора для ограничения его мощности в случае критического нагрева ультразвуковой колебательной системы.
Технический результат предлагаемого узла контроля выражается в улучшении узла контроля температуры пьезоэлектрического преобразователя ультразвукового технологического аппарата за счет использования более информативного параметра.
Отличительной особенностью работы ультразвуковых аппаратов с предложенным узлом контроля является необходимость периодического перевода УЗКС в нерезонансный режим работы (для проведения измерений), что занимает около 0,1 сек и для большинства технологий не является критическим.
Предлагаемый узел 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 узла 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.
Предложенное устройство прошло испытания в лабораторных условиях малого инновационного предприятия ООО «Центр ультразвуковых технологий» и готовится для серийного производства в 2013 году.
Список литературы, используемой при составлении заявки:
1. Хмелев, В.Н. Система контроля температуры пьезопреобразователей ультразвуковых технологических аппаратов [Текст] / В.Н. Хмелев, Р.В. Барсуков, Д.С. Абраменко, Д.В. Генне, Е.В. Ильченко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий №6/3(60). - 2012. - С.4-7.
2. Донской, А.В. Ультразвуковые электротехнологические установки [Текст]/ А.В. Донской, O.K. Келлер, Г.С. Кратыш. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. - 208 с, ил.
3. Ерофеев, А.А. Пьезокерамические трансформаторы и их применение в радиоэлектронике [Текст]/ А.А. Ерофеев, Г.А. Данов, В.Н. Фролов. - М.: Радио и связь, 1988. - 128 с, ил.
4. Ультразвуковой массажер серии «Нежность» [Электронный ресурс] Режим доступа http://www.u-sonic.com/catalog/apparaty_meditsinskogo_naznacheniya/ultrazvukovoy_massazher_serii_nezhnost_02/?sphrase_id=529