В дальнейшем, на сайте планируется размещение информации об исследовательской и научной деятельности
в области создания и исследования ультразвуковых технологий и оборудования.

Коммерческая версия сайта ООО "Центр ультразвуковых технологий" находится по новому адресу
www.u-sonic.com


Средства измерения и контроля параметров ультразвуковых колебаний, обрабатываемой среды и ультразвуковых аппаратов

Версия для печатиВерсия для печати
Одна из основных проблем, решаемых при создании новых ультразвуковых технологий и технологических аппаратов связана с необходимостью обеспечения ультразвукового воздействия на различные среды с максимальной возможной эффективностью.

Задача обеспечения эффективности ультразвукового воздействия требует понимания процессов, происходящих в электронных генераторах при формировании электрических колебаний, преобразования электрических колебаний в механические ультразвуковой колебательной системой, введение ультразвуковых колебаний в технологические среды и воздействие с ними. Кроме понимания процессов связанных с воздействием ультразвуковых колебаний необходимо установить обратное влияние технологических сред через ультразвуковую колебательную систему на электронных генератор.

Необходимость понимания процессов, происходящих в различных узлах и элементах ультразвуковых аппаратов обуславливает необходимость контроля параметров генераторов, ультразвуковых колебаний, сред, контроля влияния сред и отдельных элементов на другие узлы и элементы аппаратов. Абсолютный контроль множества необходимых параметров и взаимодействий произвести невозможно, да и, в большинстве случаев это и не является необходимым. Поэтому, весь комплекс необходимых измерений условно разбит на три группы:
  • Измерение параметров электронных генераторов, обеспечивающих преобразование энергии промышленной сети в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты;
  • Исследование влияния параметров технологических сред на работу электронных генераторов;
  • Измерение характеристик протекающего процесса.

1. Измерение параметров электронных генераторов

Для достижения наибольшей эффективности ультразвуковой обработки при минимальных затратах энергии необходимо обеспечить наилучшее согласование режимов работы электронного генератора и колебательной системы. Наилучшее согласование достигается в том случае, когда электронный генератор возбуждает колебания на частоте, соответствующей частоте собственных колебаний ультразвуковой колебательной системы. Кроме согласования по частоте, необходимо осуществлять стабилизацию амплитуды механических колебаний излучающей поверхности колебательной системы. Как известно, параметры работы колебательной системы, сильно зависят от параметров обрабатываемых сред. В реальных условиях работы, параметры сред постоянно изменяются, поэтому, необходимо обеспечить автоматическое регулирование выходных параметров электронных генераторов. С связи с этим, все разрабатываемые в настоящее время нами электронные генераторы колебаний ультразвуковой частоты комплектуются как минимум двумя системами автоматического управления - системой автоподстройки частоты выходных колебаний генератора и системой стабилизации их амплитуды. Система автоматической подстройки частоты работает, как правило, на основе измерения разности фаз напряжения и тока на выходе электронного генератора, но, в связи с особенностями резонансных характеристик колебательных систем и схемы согласования пьезопреобразователя и генератора, классические методы построения ФАПЧ не могут обеспечить нормального функционирования этой системы во всех режимах работы. Для устранения этих проблем были разработаны несколько специализированных методов фазовой автоподстройки частоты, с которыми Вы можете ознакомиться по нашим публикациям:
  • Хмелев В.Н., Цыганок С.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Шалунов А.В. "Способ повышения качества работы ФАПЧ ультразвуковых технологических аппаратов" Межвузовский сборник "Измерения, автоматизация и моделирование в промышленных и научных исследованиях".Бийск: АлтГТУ, 2002.
  • Vladimir N. Khmelev, Roman V. Barsukov, Alexey N. Slivin, Sergey N. Tchyganok "System of Phase-Locked-Loop Frequency Control of Ultrasonic Generators". Siberian Russian Student Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2001: Workshop Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2001, p. 56-57.
  • Vladimir N. Khmelev, Roman V. Barsukov, Alexey N. Slivin, Sergey N. Tchyganok "The System of Checking and Operating Power of Ultrasonic Technological Apparatus". Siberian Russian Student Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2001: Workshop Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2001, p. 54-55.

Кроме решения проблем автоматического управления, разрабатывались и специализированные средства измерений для осуществления контроля параметров ультразвуковых аппаратов в процессе их настройки, а также при проведении научных исследований. Были разработаны следующие устройства:
  • Комбинированный измеритель выходных параметров электронных генераторов. Прибор осуществляет измерение следующих величин: выходная мощность (активная составляющая), полная комплексная мощность, действующее значение выходного напряжения, действующее значение выходного тока, фазовый угол между выходным напряжением и током.
  • Комбинированный измеритель электрических параметров потребляемых генератором от сети. Прибор позволяет измерять значение потребляемой мощности, действующего значения тока и напряжения в сети. Смотрите описание прибора в статье: Vladimir N. Khmelev, Roman V. Barsukov, Alexey N. Slivin, Sergey N. Tchyganok, Igor I. Savin, Andrey V. Shalunov "The Power Features Meter" Siberian Russian Student Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2001: Workshop Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2001, p. 58-59.

2. Измерение и контроль параметров механических колебаний

Основными параметрами ультразвуковых колебаний являются их амплитуда и частота. Измерение параметров колебаний - задача виброметрии. Современная виброметрия располагает большим количеством методов. Однако, методы традиционной виброметрии создавались для низкочастотных колебаний и оказываются малопригодными для измерения параметров ультразвуковых колебаний. В связи с этим возникла необходимость в совершенствовании существующих и создании новых методов измерения параметров ультразвуковых колебаний.

Были предложены как контактные, так и бесконтактные методы измерений.

Более подробную информацию об этих методах читайте в наших публикациях:

  • Khmelev V.N., Savin I.I. "The Optical Method For Measure An Oscillation Amplitude Of Ultrasonic Piezoelectric Vibration Systems". Siberian Russian Student Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2002: Workshop Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2002. - p. 50-52 (есть русская версия).
  • Savin I.I., Steer V.N. "The Stroboscopic Method for Determine Oscillations Amplitude of Ultrasonic Working Tool Surface". Siberian Russian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2002: Workshop Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2002. -p 42-44.

3. Измерение и контроль параметров обрабатываемых сред

Контроль параметров обрабатываемых сред необходим для управления процессом формирования качества выходного продукта. Применительно к ультразвуковой обработке используются два способа контроля параметров обрабатываемых сред. Первый способ основан на прямых измерениях параметров с помощью специальных датчиков. Второй способ - косвенный, при котором параметры сред рассчитываются по известным зависимостям на основании измерения параметров работы ультразвуковых аппаратов. Второй способ предпочтительнее, поскольку при этом нет необходимости в специализированных датчиках, вводимых в зону обработки. Кроме того, в большинстве случаев, размещать датчик в зоне обработки невозможно или нецелесообразно.

Контроль параметров обрабатываемых сред необходим не только для управления формированием качества выходного продукта, но и для снижения затрат энергии.

Более подробно ознакомится с разработанными методами и устройствами можно по нашим публикациям:

  • Khmelev V.N., Barsukov R.V., Shalunov A.V., Slivin A.N. "The Process of Ultrasonic Calibration of a Bearing Element of a Fiber-Optical Cable". Siberian Russian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2002: Workshop Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2002. - p. 37-38. (есть русская версия)
  • Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Сливин А.Н., Шалунов А.В. "Контроль процесса ультразвуковой калибровки силового элемента оптоволоконного кабеля". Межвузовский сборник <Измерения, автоматизация и моделирование в промышленных и научных исследованиях>. - Бийск: АлтГТУ, 2001, с.220-224
  • Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Сливин А.Н., "Управление процессом ультразвуковой размерной обработки хрупких и твердых материалов". Межвузовский сборник <Измерения, автоматизация и моделирование в промышленных и научных исследованиях>. - Бийск: АлтГТУ, 2001, с.253-262.
  • Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Князев А.В., Шалунов А.В. " Измерение параметров технологических сред, подвергаемых воздействию ультразвуковых колебаний высокой интенсивности". Межвузовский сборник <Измерения, автоматизация и моделирование в промышленных и научных исследованиях>. - Бийск: АлтГТУ, 2001, с.262-267.
  • Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Сливин А.Н., Башара В.А., "Применение ультразвуковых колебаний для производства и контроля качества изделий из полимерных композиционных материалов". Вестник алтайской науки. - Барнаул: АлтГТУ, 2001, с.153-159.