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超声波清洗器技术分析指南

作者: 来源: 日期:2018-4-24 13:55:53 人气:659
     大家都知道,超声波清洗机由两部分组成:一是超声波发生器,二是以换能器为核心的超声波清洗缸槽体。
    清洗机:超声发生器简单的说就是一套与换能器频率相匹配的大功率源,就是把电能转化为机械能输送到超声波振子后由振子的陶瓷芯片产生声能传导到清洗槽内,作用于清洗液体,产生空化效用形成高压冲击作用从而使工件变的清洗洁净。
    概括来说,超声波发生器和以换能器为核心的超声清洗缸,其技术状况已远远跟不上时代的发展和我国经济事业多领域的需求。超声波清洗机生产现状的特点是技术陈旧落后,清洗效率不理想,故障率高。这已成了制约它进一步扩大应用范围的瓶颈。目前市场上不是以提高技术、改进设计、简化工艺结构、降低成本、提高其性价比为先导,而是往往以低价相互竞争,这给整个行业和超声清洗事业的发展带来了消极的负面影响,应该引起我们的关注。 如果再不引起关注这个行业可谓直走下坡路了,最终行业人士都会后悔的。
超声波清洗机技术在全国的地区不同而都由着不同的区别;在华东地区,超声波发生器的制式不外乎下列几种:
   A、第一代产品是电子管式的,随着技术的进步,已属于淘汰产品了(但仍有厂家在生产主要是小型厂家,技术低端,资金投入少)。
    B、仿制美国必能信公司的超声波发生器,单板功率300W,频率固定为25KHz(自激式半桥输出电路),配有大电源变压器,是市场份额占有率最多的一种简易机型。但是该电路很难调整在超声换能器更好频率谐振点上,输出功率不可能达到理想的效果,质量也就不言而喻了。但考虑到该发生器的线路比较简单,稳定性尚可,整机调试得好,故障率还是很低的,加之生产这种机型的中小型超声波清洗机的企业较多,能否对其线路加以改进和提高呢?我们提供下面一种设计方案供参考:去掉电源变压器,减少输出匹配变压器的漏磁,达到减轻、减少整机重量和体积,降低成本,提高效率之目的。要去掉电源变压器,首先要考虑解决两个问题,一是电源输入和高频功率输出之间的绝缘问题:二是将供电电压降低在适合大功率管正常工作的耐压值下,才能保证整机的安全运行(原机供电电压约为DC150V-180V之间)。图1介绍的这个电路可以解决供电电压符合原机的设计要求。注意:调试时注意安全,防止触电。
    原机的输出变压器选用的是单条磁芯,漏磁较大,一旦靠近铁制外壳,将形成涡流,产生很高的热量,建议改用IE磁芯,线圈由单组改绕为初、次级双绕组,这样就可以解决电源输入和高频功率输出之间的隔离和绝缘问题。输出变压器的有关技术参数如匝数和初次级的匝数比及电感量由于诸多的不确定因素,我们很难给出一个确定的数据。
   C、MC机型及其改进后的机型:这也是一个老产品了,线路设计烦琐,由于历史的原因,是一个没有设计到位的产品。门电路用得多,SCR调压,工艺繁乱,故障率高,已受到用户的冷落,生产这种机型的原国营知名大厂,我们认为只有忍痛甩掉旧的落后的机型,开发或选用新的机型,才能重振昔日雄风,立足于今天的市场。
    改进后的机型,简化了电路,增加了“跳频”同步技术,所谓“跳频”实际上是在PWM的主振频率上,加了一个多谐振荡器,其频率和主频相配,该振荡器的输出脉冲再去调制主振极。虽然做到了恒功率输出,但受功率元件MOSFET电流容量的限制,没有做到满功率输出,输出功率也就不尽人意,清洗效率也无明显提高,应用行业面不宽,特别是每一个跳频周期,清洗缸内总有周期性的响声,没有慢启动功能,并设有“调功”旋钮,一旦操作失误将出现故障,也不能和其他设备实现联动控制。究其原因,没有跳出原MC机型的设计框框和思路,虽然更换了原专用控制芯片,遗憾的是新的芯片功能却没有完全用上。
    该机型在华东地区,仅有少数企业在生产,如果再进一步改进,将功率元件改换为IGBT,可以扩大整机容量,设法去掉缸内周期性的响声,用好新的PWM控制芯片的全部功能,如慢启动功能和脉宽调制功能,这就很方便的实现“一键操作”(只设一只电源开关),不失为一种好的机型。
   D、IGBT做为功率元件用在超声波发生器上已经引起了广泛的关注和应用,但从部分产品来看,仍没有跳出传统的设计思路和方法,比如说,单单两个推动组件,如:EXB840/841,是矩形扁片形封装的厚膜集成电路,其体积和电路及其成本已占了相当大的比重,要知道单台超声发生器的功率要求足不可能很大的。当然用IGBT作高频功率元件,由于它的耐压高、容量大、输入阻抗高、压降小,当属首选,这也是个进步。
    F、IGBT恒功率超声波清洗机:
    这是以目前国际流行的新一代电力电子元件——IGBT(绝缘栅双极型大功率晶体管一模块)为高频功率器件、军用级专用集成控制芯片(PWM而非CPU)和具有自主知识产权的创新电路、配以高效换能器组合而成,采用模块化设计,积木式安装工艺的新一代超声波清洗机。
    该机具有三个显著的特点:1:恒功率输出。所谓“恒功率”就是说在清洗缸中,不同高度的水位和不同大小的工件进行清洗,其清洗效率不变。(反映出输出功率不变)从而具有稳定、高效、长寿等特点。
    要达到恒功率输出,更好的办法是采用频率自动跟踪电路来实现,有关杂志的专家论坛最近也就此作了论述和分析,并介绍了多种频率跟踪电路,遗憾的是大多理论上讲得通,在工艺上却难以实现。所以说频率跟踪电路要实用、简洁、低成本。否则不可能形成工业化的产品。
    2:该机的第二个特点足能做成<99℃的加温机型,这在行业中也是不小的突破。
    3:工艺性的简洁,是该机的第三个特点。三个部件,就组成了可以适应各种不同频率和功率的超声功率发生器,简洁就意味着可靠、造价低和使用维护的方便。
一个好的超声功率发生器同样要一个好的换能器(清洗缸)与之相匹配,否则也难以达到预期的效果。换能器(超声波振子)在超声波清洗机中扮演着一个非常重要的角色,是个很关键的执行元件机构。在目前一般中小型生产超声波清洗机的企业中,换能器都是外购成品,不大注意其质量,或是无设备能力测试其主要的技术参数,比如阻抗的大小,频率的一致性等等,心中无数,买来上机就用,这就给整机的效率、寿命埋下质量的隐患。进一步说,即使检测,也是小功率的一般工艺性的检测,很难反映出真正在实际工作中的技术参数。
在此,根据我们多年来生产换能器的经验和教训,总结了一套生产换能器的完整工艺,再加上自己研发的大功率换能器测试仪,模拟检测出换能器在实际工作中的真实技术参数,如阻抗均控制在20Ω以下,频率的一致性保持在90%以上,从源头上保证了产品的质量。
    根据以往的经验教训,压电陶瓷换能器在工作中晶片极易发生破裂、极片易断、接线易脱焊的机理类型(这些都是行业中一直存在的通病),究其发生上述故障的原因,除了换能器的本身质量外,主要因为功率发生器没有能很好跟踪换能器在工作中由于受水位、温度、工件大小的变化而影响其频率的变化,二者之间处于失谐状态的结果。在这点上频率的自动跟踪显得尤为重要。另一个不被人们所忽视的原因,则是缸内多个换能器在工作时产生的各不相同频率的反峰电压,没有被有效抑制所产生的后果。
    另外超声波发生器输出给换能器的高频电压高低也是个重要参数,但是不能认为“不同电路的超声波发生器,其输出电路、电压的不同足导致传播效率的重要原因”“输出电压低,发生器消耗的电能就大,同时振子还容易发热,产生的感应电场强,适当的调整电路,增大输出给振子的电压可能会取得很好的效果”。
    我们认为这种提法有待商榷、探讨,发生器输出给换能器的电压高低足影响效率的一个重要原因,但它不是个固定不变的参数,要根据换能器频率的高低和换能器的多少(功率)作相应调整,换能器频率高则电压相应要低,而换能器频率低,同样电压应相应提高。此外,振子发热的主要因素一是发生器的频率和振子的实际谐振频率处于失谐状态,二是发生器的输出阻抗和负载振子的整体阻抗不相匹配。如果满足了上述两个条件,就是说频率既不失谐,阻抗又相匹配,那才是效率最好,温升最低的状态。如果单纯增大输出电压倒有可能增大了功耗而引起振子发热。
    可喜的是恒功率超声波清洗机通过近五年的不懈努力,所创新的“全频、实时”自动跟踪电路和非一般性的工艺处理,成功的解决了这些问题。有多台加温机型在外资企业已安全无故障地运行了近三年之久。可以说恒功率超声波清洗机给整个行业带来了一片春意。
以上是经验之谈,其中技术需要懂电子技术的人士才能理解,而在这个行业有多年经验的认识也才能明白,不管怎样发展,超声波技术的核心超声波发生器的技术的提高才能推动整个行业的发展,因此,不管地域的却别有多大,行业之间都要有良好的技术沟通,共同发展,共同进步,共同促进超声波行业的进步。 

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