DE4004541A1 - Verfahren und einrichtung fuer die ultraschall-fluessigkeits-zerstaeubung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung eines Ultraschallwandlers zur Zerstäubung einer Flüssigkeit, wobei ein Ansteuersignal mit einstellbarer Ansteuerfrequenz dem Ultraschallwandler zugeleitet wird. Sie bezieht sich wei­ terhin auf eine Einrichtung zur Ansteuerung eines Ultraschall­ wandlers zur Zerstäubung einer Flüssigkeit mit einem steuer­ baren Oszillator, der ein Ansteuersignal mit einstellbarer Ansteuerfrequenz abgibt und der ausgangsseitig an den Ultra­ schallwandler angeschlossen ist.

Piezokeramische Ultraschallwandler zur Zerstäubung von Flüssig­ keiten werden in verschiedenen Einrichtungen eingesetzt, zum Beispiel in Inhalationsgeräten oder in Luftbefeuchtern. In letzteren wird Wasser zur Luftbefeuchtung herangezogen. Bei all diesen Einrichtungen ist es von entscheidender Bedeutung, daß die Anregungs- oder Ansteuerfrequenz für den Ultraschall­ wandler optimal an diesen angepaßt ist. Als optimaler Betriebs­ punkt wird dabei der Betriebszustand bezüglich Speisestrom, Speisespannung und Ansteuerfrequenz verstanden, in dem bei einer bestimmten zugeführten elektrischen Leistung das pro Zeiteinheit zerstäubte Flüssigkeitsvolumen am größten ist. Normalerweise liegt dieser optimale Betriebspunkt auf einer Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers. Bedingt durch die Einbaugeometrie oder durch Abweichungen des Ultraschallwand­ lers von einer idealen vorgegebenen Bauform kann jedoch der genannte Punkt des größten Wirkungsgrades leicht verschoben sein. Dies kann durch die bisher bekannten Ansteuerprinzipien für den Ultraschallwandler nur unzureichend erkannt und korri­ giert werden.

Bisher sind zwei Verfahren zur Frequenzabstimmung gebräuchlich:

Das erste Verfahren bezieht den Ultraschallwandler selbst als frequenzbestimmendes Element in eine Schwingschaltung, zum Bei­ spiel in einen Leistungsoszillator, ein. Dies Prinzip ist bei­ spielsweise in einem käuflich erhältlichen Ultraschall-Flüssig­ keits-Zerstäuber realisiert (Ultraschall-Zerstäuber EFE-HMV1R7M6E der Firma Matsushita Electric, Spezifikation der Firma Quick-Ohm GmbH, D-5600 Wuppertal). Hier wird ein puls-code-modulierter Sender mit eigenem Oszillator verwendet, der über den Ultra­ schallwandler Ultraschallwellen der Frequenz 1,7 MHz auf eine Wasseroberfläche strahlt. Das Auftreffen der Ultraschallwellen auf die Grenzschicht zwischen Wasser und Luft verursacht ein Aufsteigen der Flüssigkeit, was sich als feiner Wasserstaub oder Nebel bemerkbar macht. Der Ultraschallwandler wird hier­ bei am Unterteil eines Wassertanks befestigt. - Eine Möglich­ keit zur Verwendung des Ultraschallwandlers als frequenzbestim­ mendes Element ist zum Beispiel auch die Anordnung des Ultra­ schallwandlers in der Rückkopplungsleitung eines Oszillators. Dies ist beispielsweise in der EP-A-02 40 360 beschrieben. Da­ nach wird der Amplituden- und Phasenfrequenzgang des Ultra­ schallwandlers dazu benutzt, die vom Oszillator abgegebene An­ steuerfrequenz auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers zu ziehen. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die so erhal­ tene Arbeitsfrequenz auch von anderen Schaltungsbauteilen be­ einflußt wird und somit merklich neben der optimalen Arbeits­ frequenz des Ultraschallwandlers liegen kann. Auch ist hier für eine sichere Funktion eine gewisse Schwinggüte des Ultraschall­ wandlers erforderlich, was an die Fertigungsgenauigkeit bei der Herstellung des Ultraschallwandlers hohe Anforderungen stellt.

Bei dem zweiten Verfahren (dies wurde bisher von der Anmelderin praktiziert) wird mit Hilfe eines separaten Oszillators, der in seiner Frequenz einmalig eingestellt wird, eine stabile Arbeits­ frequenz über einen Leistungsverstärker auf den Ultraschall­ wandler gegeben. Durch eine Messung des vom Ultraschallwandler erzeugten Schalldrucks kann nun die optimale Arbeitsfrequenz ermittelt und am geräteeigenen Oszillator für den Ultraschall­ wandler einmalig fest eingestellt werden. Die optimale Arbeits­ frequenz liegt dabei vor, wenn der Schalldruck maximal geworden ist. Führt man den geräteeigenen Oszillator als quarzstabili­ sierten Frequenzsynthesizer aus, erhält man ein relativ stabiles Ansteuersystem mit gutem Wirkungsgrad. Nachteilig ist jedoch der hohe Aufwand in der Fertigung, der durch den geschilderten Abstimmvorgang verursacht ist. Bedingt durch die feste Frequenz­ einstellung werden hierbei auch Frequenzabweichungen durch Al­ terung des Ultraschallwandlers nicht kompensiert. Dies kann eine Verschlechterung des Wirkungsgrades über die Lebensdauer bewirken.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß ein Arbeiten am optimalen Betriebspunkt möglich ist, und zwar unbeeinflußt von anderen Schaltungsbau­ teilen und von Alterungserscheinungen des Ultraschallwandlers. Insbesondere soll eine Nachführung der Ansteuerfrequenz des Ultraschallwandlers während des Betriebs ermöglicht werden derart, daß der Punkt des größten Zerstäubungs-Wirkungsgrades stets eingehalten wird.

Die genannte Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs ge­ nannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ansteuer­ frequenz in Abhängigkeit von dem am Ultraschallwandler abge­ griffenen Signal nachgeführt wird.

Bevorzugt wird dabei so vorgegangen, daß das am Ultraschall­ wandler abgegriffene Signal demoduliert und anschließend ge­ filtert wird, wonach aus dem demodulierten und gefilterten Signal ein aktuelles Mittelwertsignal gebildet wird, das zur Einstellung der Ansteuerfrequenz verwendet wird.

Von Bedeutung ist, daß eine "Richtungsinformation", das heißt eine Information darüber, ob die aktuelle Arbeitsfrequenz ober­ halb oder unterhalb der optimalen Arbeitsfrequenz (bei der sich optimale Zerstäubung ergibt) liegt, zumindest bei Betriebsauf­ nahme erhalten wird. Dies ist wichtig, weil ja die Ansteuerfre­ quenz entsprechend reduziert bzw. vergrößert werden muß. Um die "Richtungsinformation" zu erhalten und zu berücksichtigen, ist nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, daß zumindest zu Beginn eines Zerstäubungsvorgangs versuchswei­ se die Ansteuerfrequenz von einem vorgegebenen Frequenzwert aus nach oben oder unten durchgestimmt wird, und daß das hierbei im Verlaufe der Zeit erhaltene Test-Mittelwertsignal auf das Vor­ liegen eines Maximums untersucht wird. Bei Vorliegen eines Ma­ ximums wird die "Richtungsinformation" erhalten, und die An­ steuerfrequenz wird dann unter Berücksichtigung der "Richtungs­ information" nach Maßgabe des aktuellen Mittelwertsignals im Frequenzbereich des Maximums nachgeführt. Das genannte Durch­ stimmen und Aufsuchen des Maximums sowie die Veränderung der Ansteuerfrequenz wird hierbei vorzugsweise mit Hilfe eines Mikro-Computers oder Mikroprozessors durchgeführt.

Die genannte Aufgabe wird bei der Einrichtung zur Ansteuerung eines Ultraschallwandlers der eingangs genannten Art erfindungs­ gemäß dadurch gelöst, daß ein Frequenz-Nachführzweig vorgesehen ist, der den Eingang des Ultraschallwandlers mit dem Frequenz­ steuereingang des Oszillators verbindet.

Bevorzugt umfaßt der Frequenz-Nachführzweig einen Amplituden- Demodulator und ein nachgeschaltetes Bandfilter. Dabei sollte dem Bandfilter ein Mikroprozessor nachgeschaltet sein, dessen Ausgang mit dem Frequenzsteuereingang des Oszillators verbun­ den ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Einrichtung ba­ sieren auf der Ansteuerunq des Ultraschallwandlers mit einer Ansteuerfrequenz, die im Betrieb korrigiert werden kann. Das Wesentliche dabei ist, daß zur Frequenzabstimmung ein Signal benutzt wird, das direkt mit der Zerstäubungsleistung zusammen­ hängt und alle parasitären Einflüsse beinhaltet. Es ist dies das erwähnte, am Ultraschallwandler abgegriffene Signal, das die Reflektion der Ultraschallwellen an der Flüssigkeits-Ober­ fläche widerspiegelt. Der Ultraschallwandler, ein piezoelektri­ scher, vorzugsweise ein piezokeramischer Ultraschallwandler, wird ja sowohl zum Senden als auch zum Empfangen verwendet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von drei Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ultraschall-Flüssigkeits-Zerstäubungseinheit, die zur Luftbefeuchtung vorgesehen ist,

Fig. 2 das am Ultraschallwandler abgegriffene Signal bei Fehl­ abstimmung, das heißt ohne Zerstäubung, und

Fig. 3 das am Ultraschallwandler abgegriffene Signal bei opti­ maler Zerstäubung.

Nach Fig. 1 befindet sich in einem Gefäß 2 eine zu zerstäuben­ de Flüssigkeit 4, vorliegend Wasser. Die Flüssigkeitsoberfläche ist mit 6 bezeichnet. Am Boden des Gefäßes 2 ist ein piezoelek­ trischer, vorzugsweise ein piezokeramischer Ultraschallwandler 8 angeordnet. Er sendet im Betrieb Ultraschallwellen 10 in Richtung auf die Wasseroberfläche 6 aus. Die Abstrahlfläche des Ultraschall­ wandlers 8 ist gekrümmt. Er wird zum Aussenden der Ultraschall­ wellen 10, gleichzeitig aber auch zum Empfangen der an der Flüs­ sigkeitsoberfläche 6 reflektierten Ultraschallwellen eingesetzt.

Die Einrichtung zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers 8 um­ faßt einen steuerbaren Oszillator 12, der ein Ansteuersignal s mit einstellbarer Ansteuerfrequenz f abgibt. Es handelt sich bevorzugt um einen Sinusoszillator. Die Ansteuerfrequenz f liegt vorliegend im Bereich von 0,5 bis 5 MHz, vorzugsweise im mittleren Bereich von 2,5 MHz. Die Ansteuerfrequenz f kann durch ein Ansteuersignal p am Frequenzsteuereingang 14 des Oszillators 10 beeinflußt werden. Der Oszillator 12 ist aus­ gangsseitig an den Eingang eines Leistungsverstärkers 16 ange­ schlossen. Dessen Ausgang 18 wiederum ist an den Ultraschall­ wandler 8 angeschlossen.

Gemäß Fig. 1 ist weiterhin ein Frequenz-Nachführzweig 20 vor­ gesehen, der den Ausgang 18 des Leistungsverstärkers 16 und damit den Eingang des Ultraschallwandlers 8 mit dem Frequenz­ steuereingang 14 des Oszillators 12 verbindet. Dieser Frequenz- Nachführzweig 20 umfaßt vorliegend einen mit dem Ausgang 18 verbundenen Amplituden-Demodulator 22, ein nachgeschaltetes Band­ filter 24 und einen diesem nachgeschalteten Mikroprozessor 26, dessen Ausgang mit dem Frequenzsteuereingang 14 des Oszillators 12 verbunden ist. Der Frequenzbereich des Bandfilters 14 liegt dabei im Bereich von 50 Hz bis 10 kHz. Es ist dazu vorgesehen, denjenigen Bereich unterhalb der Nutzfrequenz von etwa 2,5 MHz herauszufiltern, in dem das maximale Rauschen liegt, wenn Zer­ stäubung eintritt. Bei dem Demodulator 22 handelt es sich um eine Gleichrichterschaltung, insbesondere um eine Dioden-Schal­ tung.

Im Betrieb wird der Ultraschallwandler 8 über die Leistungs­ stufe 16 mit dem Ansteuersignal s der einstellbaren Ansteuer­ frequenz f aus dem steuerbaren Oszillator 12 versorgt. Der Ultraschallwandler 8 sendet dann Schallwellen 10 durch die Flüssigkeit 4 an deren Oberfläche 6. Dort werden die Ultra­ schallwellen reflektiert, und ein Teil dieser reflektierten Ultraschallwellen gelangt wieder zurück auf den Ultraschall­ wandler 8, wo sie in elektrische Signale umgesetzt werden. Die­ se Signale werden dem Steuersignal vom Leistungsverstärker 16 am Ausgang 18 zum Signal U überlagert. Das hier abgegriffene Signal U gelangt auf den Amplituden-Demodulator 22 und von dort auf das nachgeschaltete Bandfilter 24. Hier wird aus der Hüll­ kurve des Ausgangssignals U, das in den Fig. 2 und 3 bei Fehlabstimmung bzw. optimaler Abstimmung in Abhängigkeit der Zeit t dargestellt ist, eine Meßspannung oder ein "aktuelles Mittelwertsignal" m gewonnen. Dieses aktuelle Mittelwertsignal m wird zur Steuerung des Oszillators 12 verwendet. Liegt eine "Richtungsinformation" vor, welche vom Mikroprozessor 26 ermit­ telt wird, so kann daraus und aus dem Signal m das Signal p ge­ bildet und dem Frequenzsteuereingang 14 aufgeschaltet werden.

Zu Beginn eines Zerstäubungsvorgangs wird versuchsweise die An­ steuerfrequenz f mit Hilfe des Mikroprozessors 26 von einem vor­ gegebenen Frequenzwert fo aus nach oben oder unten zeitlich ver­ ändert (Testlauf). Als Signal m erhält man dann im Verlaufe der Zeit t ein Test-Mittelwertsignal m′. Dieses wird vom Mikropro­ zessor 26 auf das Vorliegen eines Maximums untersucht. Der Mikro­ prozessor 26 ermittelt dabei auch, ob der ursprünglich vorgege­ bene Frequenzwert fo oberhalb oder unterhalb derjenigen Frequenz f* liegt, bei der das Maximum des Test-Mittelwertsignals m′ auf­ tritt. Dies ist die oben erwähnte "Richtungsinformation". Ab­ hängig von dieser Information und vom Signal m verändert der Mikroprozessor 26 das Ansteuersignal p so, daß das genannte Maximum - diesem entspricht der Punkt des größten Zerstäubungs- Wirkungsgrades - eintritt und anschließend festgehalten wird. Mit anderen Worten: Bei Vorliegen des Maximums in der gewähl­ ten Richtung (nach oben oder unten) wird die Ansteuerfrequenz f nach Maßgabe des aktuellen Mittelwertsignals m im Frequenzbereich des Maximums nachgeführt. Der Mikroprozessor 26 ist also imstan­ de festzustellen, daß das Maximum überschritten wurde, und er ist so eingerichtet, daß das Ansteuersignal p die Ansteuerfre­ quenz f in Richtung auf die optimale Frequenz f* führt.

Es wurde bereits erwähnt, daß ein Teil der an der Oberfläche 6 reflektierten Ultraschallwellen wieder auf den Ultraschallwand­ ler 8 zurückgelangt. In der Flüssigkeit 4 bilden sich stehende Wellen aus. Da der Ultraschallwandler 8 nicht nur elektrische Energie in Ultraschall, sondern auch umgekehrt Ultraschall in elektrische Energie umwandeln kann, wirkt sich der reflektierte Ultraschall unmittelbar auf das Ausgangssignal am Ausgang 18 aus. Je nach Amplitude und Phasenlage der Reflektionen ergibt sich am Innenwiderstand des Leistungsverstärkers 16 ein Span­ nungsabfall U, der sich aus der Addition des Ausgangssignals des Verstärkers 16 mit dem reflektierten Signal ergibt.

Solange die Ansteuerfrequenz f weit vom optimalen Arbeitspunkt f* des Ultraschallwandlers 8 entfernt liegt, bleibt die Flüssig­ keitsoberfläche 6 ruhig. Das Wellenfeld 10 wird dann nicht ge­ stört, und das Signal U unterliegt keiner zeitlichen Änderung. Dies ist in Fig. 2 gezeigt. In diesem Fall liefert der Ampli­ tuden-Demodulator 22 eine reine Gleichspannung, und die Meß­ spannung m hinter dem Bandpaßfilter 24 ist nahezu Null. In Fig. 2 ist das Signal s - abweichend von der bevorzugten sinus­ förmigen Ausbildung - als Dreieckssignal gezeigt.

Wird nun vom Mikroprozessor 26 die Ansteuerfrequenz f des An­ steuersignals s in Richtung auf die optimale Arbeitsfrequenz f* des Ultraschallwandlers 8 verschoben, wird die Flüssigkeits­ oberfläche 6 zunehmend unruhiger. Durch diese Bewegung an der Flüssigkeitsoberfläche 6 wird das Wellenfeld 10 gestört. Der reflektierte Signalanteil wird dadurch mit einem niederfrequen­ ten Rauschen moduliert, das insbesondere im Bereich von 50 Hz bis 10 kHz liegt. Dieses Rauschen ist durch die Hüllkurven h1 und h2 in Fig. 3 verdeutlicht. Aus diesem so verrauschten Signal U wird über den Demodulator 22 und das Bandpaßfilter 24 das aktuelle Mittelwertsignal m gebildet, das nun nicht mehr Null ist, sondern einen durchaus meßbaren Wert aufweist. Es könnte als "Rauschsignal" bezeichnet werden.

Bei weiterer Annäherung an den optimalen Arbeitspunkt f* (Punkt des größten Wirkungsgrades) wird dieses Mittelwert- oder Meßsignal m größer. Bei Einsetzen der Zerstäubung nimmt neben der Amplitude dieses Rauschsignals m auch dessen Band­ breite zu. Im optimalen Arbeitspunkt, der charakterisiert wird durch die Arbeitsfrequenz F*, tritt maximales Rauschen auf. Bei passender Dimensionierung des Bandpaßfilters 24 kann ein sehr genaues Abstimmverhalten erzielt werden. Das aktuelle Mittelwertsignal oder Rauschsignal m wird dabei vom Mikropro­ zessor 26 als Steuersignal p zur Frequenzsteuerung des Oszil­ lators 12 verwendet.

Claims (12)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines Ultraschallwandlers (8) zur Zerstäubung einer Flüssigkeit (4), wobei ein Ansteuersignal (s) mit einstellbarer Ansteuerfrequenz (f) dem Ultraschallwandler (8) zugeleitet wird, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ansteuerfrequenz (f) in Abhängigkeit von dem am Ultraschallwandler (8) abgegriffenen Signal (U) nachgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das am Ultraschallwandler (8) abge­ griffene Signal (U) demoduliert und anschließend gefiltert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aus dem demodulierten und gefilterten Signal (m) ein aktuelles Mittelwertsignal (p) gebildet wird, das zur Einstellung der Ansteuerfrequenz (f) verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest zu Beginn eines Zerstäu­ bungsvorgangs versuchsweise die Ansteuerfrequenz (f) von ei­ nem vorgegebenen Frequenzwert aus nach oben oder unten durch­ gestimmt wird, daß das hierbei im Verlaufe der Zeit (t) erhal­ tene Test-Mittelwertsignal auf das Vorliegen eines Maximums untersucht wird, um eine Richtungs-Information zu erhalten, daß bei Vorliegen eines Maximums aus dem aktuellen demodulier­ ten und gefilterten Signal (m) und aus der Richtungs-Informa­ tion das aktuelle Mittelwertsignal (p) gebildet wird, und daß die Ansteuerfrequenz (f) dann nach Maßgabe des aktuellen Mit­ telwertsignals (p) im Frequenzbereich des Maximums nachgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Ultraschallwandler (8) zugeleitete Ansteuersignal (s) sinusförmig ist.

6. Einrichtung zur Ansteuerung eines Ultraschallwandlers (8) zur Zerstäubung einer Flüssigkeit (4) mit einem steuerbaren Oszillator (12), der ein Ansteuersignal (s) mit einstellbarer Ansteuerfrequenz (f) abgibt und der ausgangsseitig an den Ul­ traschallwandler (8) angeschlossen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Frequenz-Nachführzweig (20) vorgesehen ist, der den Eingang (18) des Ultraschallwandlers (8) mit dem Frequenzsteuereingang (14) des Oszillators (12) verbindet.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Frequenz-Nachführzweig (20) einen Amplituden-Demodulator (22) und ein nachgeschaltetes Bandfilter (24) umfaßt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Bandfilter (24) ein Mikroprozessor (26) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit dem Frequenzsteuer­ eingang (14) des Oszillators (12) verbunden ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Oszillator (12) und dem Ultraschallwandler (8) ein Leistungsverstärker (16) an­ geordnet ist, an dessen Ausgang (18) der Frequenz-Nachführzweig (20) angeschlossen ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (8) ein piezoelektrischer, vorzugsweise ein piezokeramischer Ultra­ schallwandler ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (12) ein Si­ nusoszillator ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Oszillator (12) ab­ gegebene Frequenz im Bereich von 0,5 bis 5 MHz und daß der Fre­ quenzbereich des Bandfilters (24) im Bereich von 50 Hz bis 10 kHz liegt.