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超聲波清洗器技術分析指南

作者: 來源: 日期:2018-4-24 13:55:53 人氣:847
     大家都知道,超聲波清洗機由兩部分組成:一是超聲波發生器,二是以換能器為核心的超聲波清洗缸槽體。
    清洗機:超聲發生器簡單的說就是一套與換能器頻率相匹配的大功率源,就是把電能轉化為機械能輸送到超聲波振子后由振子的陶瓷芯片產生聲能傳導到清洗槽內,作用于清洗液體,產生空化效用形成高壓沖擊作用從而使工件變的清洗潔凈。
    概括來說,超聲波發生器和以換能器為核心的超聲清洗缸,其技術狀況已遠遠跟不上時代的發展和我國經濟事業多領域的需求。超聲波清洗機生產現狀的特點是技術陳舊落后,清洗效率不理想,故障率高。這已成了制約它進一步擴大應用范圍的瓶頸。目前市場上不是以提高技術、改進設計、簡化工藝結構、降低成本、提高其性價比為先導,而是往往以低價相互競爭,這給整個行業和超聲清洗事業的發展帶來了消極的負面影響,應該引起我們的關注。 如果再不引起關注這個行業可謂直走下坡路了,最終行業人士都會后悔的。
超聲波清洗機技術在全國的地區不同而都由著不同的區別;在華東地區,超聲波發生器的制式不外乎下列幾種:
   A、第一代產品是電子管式的,隨著技術的進步,已屬于淘汰產品了(但仍有廠家在生產主要是小型廠家,技術低端,資金投入少)。
    B、仿制美國必能信公司的超聲波發生器,單板功率300W,頻率固定為25KHz(自激式半橋輸出電路),配有大電源變壓器,是市場份額占有率最多的一種簡易機型。但是該電路很難調整在超聲換能器更好頻率諧振點上,輸出功率不可能達到理想的效果,質量也就不言而喻了。但考慮到該發生器的線路比較簡單,穩定性尚可,整機調試得好,故障率還是很低的,加之生產這種機型的中小型超聲波清洗機的企業較多,能否對其線路加以改進和提高呢?我們提供下面一種設計方案供參考:去掉電源變壓器,減少輸出匹配變壓器的漏磁,達到減輕、減少整機重量和體積,降低成本,提高效率之目的。要去掉電源變壓器,首先要考慮解決兩個問題,一是電源輸入和高頻功率輸出之間的絕緣問題:二是將供電電壓降低在適合大功率管正常工作的耐壓值下,才能保證整機的安全運行(原機供電電壓約為DC150V-180V之間)。圖1介紹的這個電路可以解決供電電壓符合原機的設計要求。注意:調試時注意安全,防止觸電。
    原機的輸出變壓器選用的是單條磁芯,漏磁較大,一旦靠近鐵制外殼,將形成渦流,產生很高的熱量,建議改用IE磁芯,線圈由單組改繞為初、次級雙繞組,這樣就可以解決電源輸入和高頻功率輸出之間的隔離和絕緣問題。輸出變壓器的有關技術參數如匝數和初次級的匝數比及電感量由于諸多的不確定因素,我們很難給出一個確定的數據。
   C、MC機型及其改進后的機型:這也是一個老產品了,線路設計煩瑣,由于歷史的原因,是一個沒有設計到位的產品。門電路用得多,SCR調壓,工藝繁亂,故障率高,已受到用戶的冷落,生產這種機型的原國營知名大廠,我們認為只有忍痛甩掉舊的落后的機型,開發或選用新的機型,才能重振昔日雄風,立足于今天的市場。
    改進后的機型,簡化了電路,增加了“跳頻”同步技術,所謂“跳頻”實際上是在PWM的主振頻率上,加了一個多諧振蕩器,其頻率和主頻相配,該振蕩器的輸出脈沖再去調制主振極。雖然做到了恒功率輸出,但受功率元件MOSFET電流容量的限制,沒有做到滿功率輸出,輸出功率也就不盡人意,清洗效率也無明顯提高,應用行業面不寬,特別是每一個跳頻周期,清洗缸內總有周期性的響聲,沒有慢啟動功能,并設有“調功”旋鈕,一旦操作失誤將出現故障,也不能和其他設備實現聯動控制。究其原因,沒有跳出原MC機型的設計框框和思路,雖然更換了原專用控制芯片,遺憾的是新的芯片功能卻沒有完全用上。
    該機型在華東地區,僅有少數企業在生產,如果再進一步改進,將功率元件改換為IGBT,可以擴大整機容量,設法去掉缸內周期性的響聲,用好新的PWM控制芯片的全部功能,如慢啟動功能和脈寬調制功能,這就很方便的實現“一鍵操作”(只設一只電源開關),不失為一種好的機型。
   D、IGBT做為功率元件用在超聲波發生器上已經引起了廣泛的關注和應用,但從部分產品來看,仍沒有跳出傳統的設計思路和方法,比如說,單單兩個推動組件,如:EXB840/841,是矩形扁片形封裝的厚膜集成電路,其體積和電路及其成本已占了相當大的比重,要知道單臺超聲發生器的功率要求足不可能很大的。當然用IGBT作高頻功率元件,由于它的耐壓高、容量大、輸入阻抗高、壓降小,當屬首選,這也是個進步。
    F、IGBT恒功率超聲波清洗機:
    這是以目前國際流行的新一代電力電子元件——IGBT(絕緣柵雙極型大功率晶體管一模塊)為高頻功率器件、軍用級專用集成控制芯片(PWM而非CPU)和具有自主知識產權的創新電路、配以高效換能器組合而成,采用模塊化設計,積木式安裝工藝的新一代超聲波清洗機。
    該機具有三個顯著的特點:1:恒功率輸出。所謂“恒功率”就是說在清洗缸中,不同高度的水位和不同大小的工件進行清洗,其清洗效率不變。(反映出輸出功率不變)從而具有穩定、高效、長壽等特點。
    要達到恒功率輸出,更好的辦法是采用頻率自動跟蹤電路來實現,有關雜志的專家論壇最近也就此作了論述和分析,并介紹了多種頻率跟蹤電路,遺憾的是大多理論上講得通,在工藝上卻難以實現。所以說頻率跟蹤電路要實用、簡潔、低成本。否則不可能形成工業化的產品。
    2:該機的第二個特點足能做成<99℃的加溫機型,這在行業中也是不小的突破。
    3:工藝性的簡潔,是該機的第三個特點。三個部件,就組成了可以適應各種不同頻率和功率的超聲功率發生器,簡潔就意味著可靠、造價低和使用維護的方便。
一個好的超聲功率發生器同樣要一個好的換能器(清洗缸)與之相匹配,否則也難以達到預期的效果。換能器(超聲波振子)在超聲波清洗機中扮演著一個非常重要的角色,是個很關鍵的執行元件機構。在目前一般中小型生產超聲波清洗機的企業中,換能器都是外購成品,不大注意其質量,或是無設備能力測試其主要的技術參數,比如阻抗的大小,頻率的一致性等等,心中無數,買來上機就用,這就給整機的效率、壽命埋下質量的隱患。進一步說,即使檢測,也是小功率的一般工藝性的檢測,很難反映出真正在實際工作中的技術參數。
在此,根據我們多年來生產換能器的經驗和教訓,總結了一套生產換能器的完整工藝,再加上自己研發的大功率換能器測試儀,模擬檢測出換能器在實際工作中的真實技術參數,如阻抗均控制在20Ω以下,頻率的一致性保持在90%以上,從源頭上保證了產品的質量。
    根據以往的經驗教訓,壓電陶瓷換能器在工作中晶片極易發生破裂、極片易斷、接線易脫焊的機理類型(這些都是行業中一直存在的通病),究其發生上述故障的原因,除了換能器的本身質量外,主要因為功率發生器沒有能很好跟蹤換能器在工作中由于受水位、溫度、工件大小的變化而影響其頻率的變化,二者之間處于失諧狀態的結果。在這點上頻率的自動跟蹤顯得尤為重要。另一個不被人們所忽視的原因,則是缸內多個換能器在工作時產生的各不相同頻率的反峰電壓,沒有被有效抑制所產生的后果。
    另外超聲波發生器輸出給換能器的高頻電壓高低也是個重要參數,但是不能認為“不同電路的超聲波發生器,其輸出電路、電壓的不同足導致傳播效率的重要原因”“輸出電壓低,發生器消耗的電能就大,同時振子還容易發熱,產生的感應電場強,適當的調整電路,增大輸出給振子的電壓可能會取得很好的效果”。
    我們認為這種提法有待商榷、探討,發生器輸出給換能器的電壓高低足影響效率的一個重要原因,但它不是個固定不變的參數,要根據換能器頻率的高低和換能器的多少(功率)作相應調整,換能器頻率高則電壓相應要低,而換能器頻率低,同樣電壓應相應提高。此外,振子發熱的主要因素一是發生器的頻率和振子的實際諧振頻率處于失諧狀態,二是發生器的輸出阻抗和負載振子的整體阻抗不相匹配。如果滿足了上述兩個條件,就是說頻率既不失諧,阻抗又相匹配,那才是效率最好,溫升最低的狀態。如果單純增大輸出電壓倒有可能增大了功耗而引起振子發熱。
    可喜的是恒功率超聲波清洗機通過近五年的不懈努力,所創新的“全頻、實時”自動跟蹤電路和非一般性的工藝處理,成功的解決了這些問題。有多臺加溫機型在外資企業已安全無故障地運行了近三年之久。可以說恒功率超聲波清洗機給整個行業帶來了一片春意。
以上是經驗之談,其中技術需要懂電子技術的人士才能理解,而在這個行業有多年經驗的認識也才能明白,不管怎樣發展,超聲波技術的核心超聲波發生器的技術的提高才能推動整個行業的發展,因此,不管地域的卻別有多大,行業之間都要有良好的技術溝通,共同發展,共同進步,共同促進超聲波行業的進步。 

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