Emisor ultrasónico. Baños de limpieza por ultrasonidos con emisores sumergibles. Número óptimo de transductores de inmersión para un baño de limpieza

La invención se refiere a la tecnología ultrasónica, en particular a dispositivos para intensificar procesos tecnológicos en medios líquidos, y puede encontrar aplicación en la ingeniería mecánica, la electrónica, la industria farmacéutica, la fabricación de instrumentos y la energía nuclear. Un transductor piezocerámico ultrasónico incluye una carcasa con al menos un emisor instalado en un orificio pasante de su membrana radiante, cuya guía de ondas está conectada a la carcasa mediante una soldadura, que además sirve como amortiguador para amortiguar las vibraciones de flexión, mientras que para operación en ambientes agresivos la carcasa, el emisor y La guía de ondas está hecha de titanio. Y cuando se instalan varios emisores en una carcasa, la distancia entre ellos se elige preferiblemente igual a un cuarto de la longitud de onda de las vibraciones ultrasónicas. La invención propuesta simplifica el diseño del transductor, aumenta la eficiencia de las vibraciones ultrasónicas cuando se opera en ambientes agresivos y garantiza un sellado confiable de la carcasa contra fugas del líquido sonicado. 4 salario mosca, 4 enfermos.

Dibujos para la patente RF 2448782

La invención se refiere a la tecnología ultrasónica, concretamente a dispositivos para intensificar procesos tecnológicos en medios líquidos: limpieza de piezas, extracción, grabado, impregnación, y puede encontrar aplicación en la ingeniería mecánica, la ingeniería eléctrica, la electrónica, la industria farmacéutica, la fabricación de instrumentos y la energía nuclear.

Se conocen varios transductores piezoeléctricos ultrasónicos en los que los elementos para sellar su dispositivo interno de la influencia externa de un medio líquido están fabricados en forma de juntas fluoroplásticas o de goma. Todos ellos tienen un inconveniente común: cuando se instalan en potentes transductores piezoeléctricos, con el tiempo se destruyen bajo la influencia de los ultrasonidos, lo que provoca fugas de líquido dentro de la carcasa y fallas de los emisores. (Ver patente de modelo de utilidad RF N° 66700, B06B 1/06 “Transductor piezocerámico ultrasónico”, publicada el 10/11/2005, así como patente de invención RF N° 20090013, H04R 17/00 “Dispositivo para sujetar un transductor piezoeléctrico reforzado ”, publicado el 09.10.1997)

Por lo tanto, todos estos convertidores tienen una aplicación limitada.

También se conoce un transductor ultrasónico sumergible para sonicar un líquido en un baño, que incluye en su carcasa una placa piezoeléctrica, una membrana y un elemento de fijación del transductor al baño. Para sellar la cavidad interna del convertidor contra fugas de líquido, se utiliza una junta tórica instalada en la ranura de la carcasa. Para cubrir una mayor superficie sonora, en la bañera se combinan varios transductores en una fila. Pero incluso en este convertidor el problema de la estanqueidad no se ha resuelto, ya que puede entrar líquido en la cavidad interna de la carcasa debido al desgaste de la junta tórica y al aflojamiento de la conexión roscada. (Ver Patente de RF de invención No. 2009720, B06B 1/06 “Transductor ultrasónico de alta frecuencia para sonicar líquido en un baño”, publicada el 30/03/1994)

También se conoce un transductor piezocerámico ultrasónico para sonicar un líquido, que contiene una almohadilla radiante, un paquete piezoeléctrico, un pasador de refuerzo, una brida, una junta tórica, una tuerca, un pasador para fijar a un baño, una membrana de desacoplamiento acústico. con repisa y amortiguador. En este caso, la brida y el hombro de membrana están unidos entre sí de forma rígida mediante soldadura. El sellado adicional se realiza con un anillo de goma o fluoroplástico, que es atraído hacia el fondo del baño moviendo la tuerca a lo largo del perno.

La amortiguación contra la aparición de vibraciones de flexión se realiza mediante un anillo de plástico. (Ver Certificado de Autor de la URSS No. 1622025, B06B 1/06 “transductor piezocerámico ultrasónico para líquidos sonicantes”, publicado el 23/01/1991)

La principal desventaja de este diseño es la complejidad del montaje del transductor en el fondo del baño; además, el anillo de caucho o fluoroplástico utilizado como sello no proporciona un sellado fiable a largo plazo del transductor frente al líquido que sonica; especialmente en el caso de una solución agresiva de ácidos o álcalis.

También se conoce un transductor piezocerámico ultrasónico con emisor, instalado en el exterior del fondo del recipiente con un elemento para su fijación, realizado en forma de soldadura y conexión roscada. (Consulte el Certificado de modelo de utilidad de RF n.° 35250, IPC B06B 1/06, publicado el 10/01/2004) Este transductor piezocerámico ultrasónico se utiliza en un dispositivo para la purificación de líquidos, que incluye un recipiente en cuyo fondo está conectado dicho transductor. desde el exterior. En este caso, el elemento de fijación se realiza en forma de casquillo con rosca interior, fijado rígidamente al fondo del recipiente mediante soldadura, y el emisor está dotado de una rosca exterior con posibilidad de atornillarlo en el casquillo hasta se detiene en el fondo del contenedor. En este dispositivo, como se desprende del dibujo, el problema del sellado se resuelve completamente fijando los emisores al fondo del recipiente desde el exterior. Sin embargo, en este caso, no es posible evitar la pérdida de intensidad de las vibraciones ultrasónicas, ya que estas últimas se transmiten, en primer lugar, a través de la pared del recipiente y, en segundo lugar, necesariamente se forma un espacio final en la conexión roscada, en en el que también se observará una pérdida parcial de potencia de radiación, porque es casi imposible hacer coincidir perfectamente la superficie del fondo del recipiente y el extremo del emisor.

Por tanto, es necesario simplificar el diseño eliminando la conexión roscada. El objetivo de la invención propuesta es eliminar las deficiencias de los análogos y del prototipo, es decir, garantizar un sellado completo del convertidor contra fugas del líquido sonicado y lograr la máxima potencia de radiación posible en el fluido de trabajo.

El problema se resuelve sonicando directamente el líquido ubicado en el recipiente para procesar productos y al mismo tiempo neutralizando las vibraciones de flexión de la membrana del transductor ultrasónico.

El resultado técnico, que consiste en simplificar el diseño del transductor y al mismo tiempo aumentar la intensidad de las vibraciones ultrasónicas en el líquido, se logra instalando al menos un emisor en el orificio pasante de la membrana radiante o en el fondo de la membrana. de la carcasa con posibilidad de contacto directo de su guía de ondas con el líquido sonicado, en este caso, una guía de ondas fabricada en un material de baja resistencia acústica (titanio) está conectada herméticamente al cuerpo del transductor mediante una soldadura, la cual realiza la función adicional de un amortiguador para amortiguar las vibraciones de flexión de la membrana radiante. Para garantizar una conexión de alta calidad con una costura de soldadura al cuerpo del emisor, su guía de ondas está hecha en forma de T con una cabeza en forma de hombro, que cubre el orificio en la parte inferior de la membrana a lo largo de todo el perímetro en 2- 5 mm, formando una zona de conexión homogénea del mismo metal. La ejecución del cuerpo del transductor y la guía de ondas de titanio del emisor permite su uso en ambientes agresivos y, lo más importante, el titanio tiene una baja resistencia acústica, lo que ayuda a minimizarla. la pérdida de potencia de las vibraciones ultrasónicas en la guía de ondas del emisor en contacto con el líquido sonicado.

El transductor piezocerámico ultrasónico es nuevo, ya que el conjunto de características propuestas reflejadas en las reivindicaciones, incluso en cláusulas adicionales, no se encontró en las fuentes de información.

El transductor piezocerámico ultrasónico propuesto como solución técnica tiene actividad inventiva. El hecho es que en la industria, especialmente en los sistemas de intercambio de calor, a menudo es necesario eliminar depósitos de sal persistentes y diversas incrustaciones de las superficies de piezas y mecanismos utilizando soluciones de medios agresivos en forma de ácidos y álcalis. Para eliminar depósitos tan dañinos, se requiere una potente radiación ultrasónica; al mismo tiempo, el transductor ultrasónico debe tener una forma compacta y resistir la exposición a ambientes agresivos. El transductor piezocerámico ultrasónico propuesto satisface estos requisitos. La alta densidad de los emisores en la membrana de la carcasa del transductor, la baja resistencia acústica del titanio y la salida directa de la superficie de trabajo de las guías de ondas del emisor al líquido sonicado permiten garantizar la mínima pérdida total de intensidad físicamente posible. de vibraciones ultrasónicas y el máximo poder posible de acción de cavitación para eliminar los depósitos nocivos de las superficies tratadas.

La solución técnica propuesta no es obvia, ya que la soldadura realizada de la manera descrita anteriormente se utiliza no solo como elemento para unir la guía de ondas del emisor al cuerpo del convertidor, sino que también sirve como amortiguador para amortiguar las vibraciones de flexión. Así, dos funciones: sujeción y amortiguación de vibraciones de flexión se combinan en una sola característica, lo que llevó a la simplificación del transductor ultrasónico y, al mismo tiempo, a un aumento en la intensidad de la radiación ultrasónica.

La diferencia de diseño especificada y la combinación de funciones no se encontraron en la información, la literatura científica y técnica ni en los materiales de patentes, lo que indica la falta de obviedad y la originalidad del transductor piezocerámico ultrasónico propuesto. La diferencia observada, en nuestra opinión, no puede atribuirse al método de diseño de ingeniería convencional.

La producción y prueba de los prototipos demostró su desempeño y confirmó la recepción del resultado técnico especificado en la descripción de la invención, que cumple con el criterio de “aplicabilidad industrial”.

La carcasa del transductor está sellada herméticamente y se puede utilizar como opción sumergible, pero también se puede instalar en el fondo del tanque de trabajo.

La invención se ilustra mediante dibujos, donde la Fig. 1 muestra la carcasa de un transductor piezocerámico ultrasónico con una ruptura local (vista lateral), la Fig. 2 muestra una membrana radiante con emisores dispuestos en una fila, la Fig. 3 muestra una membrana radiante con emisores colocados en dos series, la Fig. 4 muestra una vista general en sección transversal del convertidor para contenedores abiertos con emisor. Un transductor piezocerámico ultrasónico contiene una carcasa 1 con un orificio pasante 3 realizado en la parte inferior o una membrana radiante 2, en la que está instalado al menos un emisor piezocerámico 4, que incluye una guía de ondas 5 conductora de sonido en forma de T con un collar 6 y un emisor superficie 7, un paquete de piezoelementos 8 , pasador de refuerzo 9 y tuerca de acero 10. La guía de ondas conductora de sonido 5 del emisor 4, insertada libremente en el orificio 3 del fondo o membrana radiante 2 (Fig. 4), está conectada por mediante un collar 6 a la membrana radiante o al fondo del recipiente mediante una soldadura 11. En todos los casos, la superficie radiante 7 de la guía de ondas 5 está en contacto directo con el líquido sonicado, lo que aumenta la intensidad de las vibraciones ultrasónicas. La soldadura se realiza mediante soldadura por arco de argón en un ambiente de gas inerte. Para garantizar una conexión soldada de alta calidad del emisor 4 con la membrana radiante 2 o el fondo del recipiente y un funcionamiento confiable de la costura como amortiguador de vibraciones de flexión, el diámetro de las perlas debe ser 4-10 mm mayor que el diámetro del emisor d 2, es decir el cordón 6 debe superponerse al orificio 3 a lo largo de todo su perímetro en al menos 2 mm, y el diámetro exterior de la costura d3 debe ser 10-12 mm mayor que el diámetro del cordón 6 o tener un ancho igual a 5-6 mm . El espesor del collar 6 está en el rango de 0,8 a 1,0 mm y es igual al espesor de la pared de la carcasa 1. Todas las dimensiones se seleccionan experimentalmente y están determinadas por la posibilidad de transmisión máxima de vibraciones ultrasónicas al líquido sonicado. para garantizar una eliminación eficaz de los depósitos o incrustaciones de las superficies tratadas.

Para garantizar la máxima conductividad del ultrasonido y la capacidad del transductor para operar en trazas agresivas, su cuerpo, emisor y guía de ondas están hechos de titanio, es aceptable hacerlos de acero inoxidable; sin embargo, la intensidad de la cavitación ultrasónica se debe a la mayor acústica; La resistencia del acero inoxidable será menor. Además, debido al hecho de que la guía de ondas de titanio tiene una resistencia acústica menor que la tuerca de acero 10, que funciona como reflector, la amplitud de las vibraciones en la superficie radiante 7 será mayor, es decir El emisor 4 funciona en modo de radiación unidireccional, aumentando el flujo de energía acústica hacia el líquido sonoro.

Si el contenedor o membrana radiante 2 del convertidor es de grandes dimensiones, se pueden instalar en su superficie varios emisores 4 en una (Fig. 2) o varias filas (Fig. 3). Para suministrar electricidad a los piezoelementos del paquete 8, se proporciona un accesorio 12 y para asegurar la carcasa 1 del convertidor en el lugar de procesamiento, se instalan esquinas 13.

Un transductor piezoeléctrico cerámico ultrasónico funciona de la siguiente manera.

Cuando un generador (no mostrado en la figura) suministra vibraciones eléctricas de frecuencia ultrasónica (20-25 kHz) a través del conector 13 a un paquete de piezoelementos 8, bajo la influencia del efecto piezoeléctrico, la energía eléctrica se convierte en energía de vibraciones mecánicas. , que, a través de una guía de ondas de titanio 5 conductora de sonido, la superficie radiante 7 entra directamente en el líquido sonicado, provocando su cavitación. Bajo la influencia de la cavitación, se produce una mezcla activa del líquido sonicado y microexplosiones en él, por lo que se superan las fuerzas de adhesión de los depósitos e incrustaciones eliminados.

Para crear un campo ultrasónico denso y uniforme, los emisores 4 deben ubicarse lo suficientemente juntos, preferiblemente, la distancia entre ellos se elige igual a un cuarto de la longitud de onda, es decir /4.

Todas las diferencias de diseño anteriores del transductor propuesto, así como la intensidad de las vibraciones ultrasónicas que desarrolla, que ascienden a 2,4-2,7 W/cm 2 con la máxima eficiencia, permiten superar las fuerzas de adhesión de recubrimientos tecnológicamente dañinos como depósitos de sal o incrustaciones.

El transductor propuesto se implementa en baños ultrasónicos y en el diseño de un transductor piezocerámico ultrasónico sumergible, los cuales se fabrican y prueban para obtener el resultado técnico especificado en la descripción de la invención, es decir. Se ha confirmado que son operativos, fáciles de fabricar y garantizan un sellado fiable de la carcasa contra fugas del líquido sonoro y vibraciones ultrasónicas de alta intensidad.

Fuentes de información

1. Patente de RF para el modelo de utilidad No. 84971, MKI B06B 1/06, G01F 1/66, publ. 21/01/2009

3. Patente de EE.UU. nº 4957669, B068B 3/00, publ. 18 de septiembre de 1990

4. Aplicación E11B 0420190, B068B 1/06, H04R 17/00, publ. 03/04/1991

5. Solicitud de Alemania N° 4014199, B06B 1/06, H04R 17/100, publ. 22 de noviembre de 1990

FÓRMULA DE LA INVENCIÓN

1. Transductor piezocerámico ultrasónico, que incluye una carcasa con un emisor instalado en su interior mediante soldadura con guía de ondas de vibraciones ultrasónicas, caracterizado porque al menos un emisor se instala en el orificio pasante de la membrana radiante frontal o en el fondo de la carcasa con la posibilidad de contacto directo de la superficie emisora ​​​​de la guía de ondas con el líquido sonicado, mientras que la guía de ondas hecha de material acústicamente transparente está conectada herméticamente al cuerpo del transductor mediante una soldadura, que realiza la función adicional de un amortiguador para amortiguar las vibraciones de flexión.

2. Transductor piezocerámico ultrasónico, según reivindicación 1, caracterizado porque su cuerpo y guía de ondas emisora ​​están fabricados en titanio o acero inoxidable.

3. Transductor piezocerámico ultrasónico según la reivindicación 1, caracterizado porque la guía de ondas del emisor de vibraciones ultrasónico tiene forma de T con un cabezal en forma de collar para conectarlo al cuerpo del transductor, mientras que el collar cubre el orificio a lo largo de toda su extensión. perímetro de 2-5 mm.

4. Transductor piezocerámico ultrasónico según la reivindicación 1, caracterizado porque la anchura de la soldadura que conecta el hombro de la guía de ondas al cuerpo del transductor es de 5-6 mm.

5. Transductor piezocerámico ultrasónico según la reivindicación 1, caracterizado porque cuando se instalan varios emisores en la carcasa, la distancia entre ellos es preferentemente de aproximadamente un cuarto de la longitud de onda de las vibraciones ultrasónicas.

Los emisores (ultrasónicos) se utilizan activamente en ecosondas. Además, los dispositivos se utilizan en receptores. Las modificaciones modernas se distinguen por su alta frecuencia y tienen buena conductividad. La sensibilidad del emisor depende de muchos factores. También vale la pena señalar que los modelos utilizan terminales que afectan el nivel de resistencia general.

Diagrama del dispositivo

El circuito estándar del dispositivo contiene dos terminales y un condensador. La varilla se utiliza con un diámetro de 1,2 cm. Un imán para que el sistema funcione necesitará un tipo de neodimio. En la parte inferior de cualquier emisor hay un soporte. Los condensadores se pueden conectar a través de un expansor o terminales. El devanado selenoide se utiliza con una conductividad de 4 micras.

Modificación de anillo

Los emisores ultrasónicos sumergibles de anillo se fabrican generalmente para ecosondas. La mayoría de los modelos tienen condensadores dipolo. Los revestimientos debajo de ellos están hechos de goma. El nivel de resistencia general en dispositivos de este tipo es de 50 ohmios. Los terminales se utilizan con o sin adaptador. En la parte superior del selenoide hay un anillo protector. Se utiliza una varilla con un diámetro de al menos 2,2 cm. En algunos casos se utilizan condensadores de tipo canal con sistema de protección. Su conductividad de descarga es de al menos 5 micrones. En este caso, la frecuencia puede variar mucho. En este caso, mucho depende de la sensibilidad del elemento.

Dispositivo con yar

Un emisor ultrasónico para un humidificador con un hilo se considera muy común. Si nos fijamos, tiene tres condensadores. Como regla general, se utilizan en el tipo de tres canales. El nivel de resistencia total para emisores de este tipo es de 55 ohmios. A menudo se instalan en ecosondas y receptores de baja frecuencia. Los modelos también son adecuados para convertidores. Se utilizan imanes con un diámetro de 4,5 cm. Los soportes son de latón o acero. La conductividad durante la descarga no supera los 5,2 micrones.

Algunas modificaciones se utilizan con un hilo superior. Como regla general, se encuentra encima del stand. Cabe destacar también que existen emisores con adaptadores unipolares. Los solenoides para ellos son adecuados solo con alta conductividad. La parte superior del dispositivo utiliza varios anillos. La sensibilidad de descarga es de aproximadamente 10 mV. Si consideramos modificaciones basadas en condensadores de resistencia, entonces su nivel de resistencia total alcanza un máximo de 55 ohmios.

Modelo de doble cuerda

Recientemente se han fabricado emisores (ultrasónicos) de doble devanado con amplificador. Estos dispositivos se utilizan activamente en convertidores. Algunos emisores están fabricados con condensadores dobles. Los devanados se utilizan con cinta ancha. Son adecuadas varillas con un diámetro de 1,3 cm. Los terminales deben tener una conductividad de al menos 5 μm. La frecuencia de los dispositivos depende de muchos factores. En primer lugar, se tiene en cuenta el diámetro de la varilla. También cabe señalar que los expansores se utilizan con o sin almohadillas.

Emisores basados ​​​​en reflectores de bricolaje

Puedes hacer un emisor ultrasónico con tus propias manos a partir de reflectores. En primer lugar se prepara un imán de neodimio. El soporte se utiliza con un ancho de aproximadamente 4,5 cm. Se permite instalar el contorno solo después de la varilla. También cabe señalar que el imán se fija al revestimiento y se cierra con un anillo.

Los terminales para el dispositivo se seleccionan como tipo de conductor. La conductividad durante la descarga debe ser de unas 6 micras. El nivel de resistencia total para emisores de este tipo no supera los 55 ohmios. Los condensadores se utilizan en diferentes tipos. Los propios reflectores se seleccionan para que tengan un espesor pequeño. Para instalar los elementos tendrás que utilizar la parte superior de la varilla para atornillar al film. En este caso, es importante no superponer los terminales.

Dispositivos para ecosondas.

Los emisores (ultrasónicos) para ecosondas tienen buena conductividad. El diámetro de la varilla en el modelo estándar es de 2,4 cm. Los anillos, por regla general, se utilizan del tipo apretado. Los modelos modernos están fabricados con soportes cónicos. Son livianos y pueden funcionar en condiciones de alta humedad. Los solenoides se utilizan en diferentes diámetros. Se debe atornillar cinta aislante a la parte inferior de los dispositivos. Si es necesario, usted mismo puede fabricar un emisor para una ecosonda. Para este fin se utilizan condensadores del tipo de dos canales. Si consideramos un dispositivo con una varilla de 2,2 cm, entonces su nivel de resistencia total será de 45 ohmios.

Modificaciones para buscadores de peces.

Los emisores (ultrasónicos) para detectores de peces se fabrican con terminales de diferente conductividad. Las modificaciones más populares son aquellas con adaptadores y una sensibilidad de 12 mV. Algunos dispositivos están equipados con condensadores compactos de un solo canal. Su conductividad cuando están cargadas es de 2 micrones. Los imanes en los emisores se instalan con diferentes diámetros.

La mayoría de los modelos se fabrican con soportes bajos. También cabe señalar que los dispositivos se distinguen por su alta frecuencia. Los terminales tienen buena conductividad, pero en este caso mucho depende del grosor de la varilla. Los anillos protectores están instalados en la parte superior del devanado. Para aumentar la conductividad del emisor se utilizan terminales con una sensibilidad de 15 mV.

Modelos de baja impedancia

El emisor ultrasónico para el humidificador de aire bajo se caracteriza por sus dimensiones compactas. Se utilizan devanados con un espesor de 0,2 cm. Los imanes se instalan sobre soportes o almohadillas. Los terminales se fijan en la parte superior del dispositivo. La modificación estándar incluye tres condensadores.

La resistencia total no supera los 30 ohmios. Algunos modelos utilizan condensadores de doble canal. En este caso, la conductividad es de aproximadamente 2 micras. También hay modificaciones con varillas de gran diámetro. Se utilizan en ecosondas. La mayoría de los emisores se fabrican específicamente para convertidores. Los anillos de sujeción se utilizan de caucho o plástico. En promedio, el diámetro de la varilla de la modificación es de 2,2 cm.

Dispositivos de alta impedancia

Las modificaciones de este tipo se realizan, por regla general, para los receptores. Su nivel de conductividad total es de 4 micras. La mayoría de los dispositivos funcionan desde terminales de contacto. También cabe destacar que existen dispositivos con sensibilidad a partir de 15 mV. Los condensadores para la modificación se seleccionan del tipo de tres canales. También hay modelos de resistencia. Su nivel de resistencia general comienza en 55 ohmios. Los imanes en un potente emisor ultrasónico se instalan solo del tipo neodimio. El diámetro medio de la pieza es de 4,5 cm. Los soportes se pueden fabricar con superposiciones o películas protectoras aislantes.

Modelos con condensadores unijuntura

Los dispositivos de este tipo son capaces de proporcionar una conductividad a un nivel de 5 micrones. Tienen una sensibilidad bastante alta. Las varillas del emisor ultrasónico se instalan con un diámetro de 2 cm. Los devanados se utilizan únicamente con anillos de goma. Los terminales dipolo se utilizan en la parte inferior de los dispositivos. El nivel de resistencia total cuando está cargado es de 5 ohmios. Se permite la instalación de condensadores en emisores a través de expansores. Los adaptadores se utilizan para extender las bajas frecuencias.

Si es necesario, se pueden realizar modificaciones en dos condensadores. Para ello, los terminales se instalan con una conductividad de 2,2 μm. La varilla se selecciona con un diámetro pequeño. También cabe señalar que necesitará un soporte corto fabricado en aleación de aluminio. Se utiliza cinta aislante como aislamiento para los terminales. Hay dos anillos unidos a la parte superior del emisor. Los condensadores se montan directamente a través de un expansor dipolo. El nivel de resistencia total no debe exceder los 35 ohmios. La sensibilidad depende de la conductividad de los terminales.

El ultrasonido son ondas acústicas elásticas, inaudibles para los humanos, cuya frecuencia supera los 20 kHz. Se acostumbra distinguir entre vibraciones ultrasónicas de baja frecuencia (20...100 kHz), media frecuencia (0,1...10 MHz) y alta frecuencia (más de 10 MHz). A pesar de los kilomegahercios, las ondas ultrasónicas no deben confundirse con las ondas de radio y las radiofrecuencias. ¡Estas son cosas completamente diferentes!

Por su naturaleza física, el ultrasonido no se diferencia del sonido audible ordinario. El límite de frecuencia entre el sonido y las ondas ultrasónicas es arbitrario y está determinado por las propiedades subjetivas del oído humano. Como referencia, los animales (incluidos los domésticos) sienten bien las vibraciones de alta frecuencia, y para los murciélagos y los delfines son vitales.

El ultrasonido, debido a su longitud de onda corta, se propaga bien en líquidos y sólidos. Por ejemplo, las ondas ultrasónicas en el agua se atenúan aproximadamente 1000 veces menos que en el aire. Esto nos lleva a las principales áreas de aplicación: sonar, pruebas no destructivas de productos, “visión del sonido”, acústica molecular y cuántica.

Para generar vibraciones ultrasónicas se utilizan los siguientes tipos de emisores (transductor ultrasónico):

Piezocerámica (piezo);

Electrostático;

Electromagnético.

Para esta última opción, son adecuados incluso los altavoces de audio de alta frecuencia comunes (en la jerga "tweeters"), que tienen suficiente eficiencia para generar señales en el rango casi ultrasónico de 20...40 kHz.

Los emisores ultrasónicos piezocerámicos (Tabla 2.10) se fabrican, por regla general, en pares con receptores piezoeléctricos de frecuencia adaptada. Parámetros típicos de un “tándem ultrasónico”: frecuencia de resonancia 37...45 kHz, nivel de presión sonora a una distancia de 30 cm - 95...105 dB(A), tensión de funcionamiento 12...60 V, capacitancia 1000. ..3000 pF, impedancia de salida del transmisor 200...500 Ohm, impedancia de entrada del receptor 10...30 kOhm.

Tabla 2.10. Parámetros de emisores ultrasónicos.

Se recomienda aplicar pulsos no unipolares, sino multipolares a las placas de los emisores piezoeléctricos ultrasónicos, es decir. durante las pausas, generar un voltaje de polaridad inversa. Esto contribuye a una descarga acelerada de la capacidad equivalente del emisor y a un mayor rendimiento.

En la figura. 2.53, a...l muestra diagramas para conectar emisores ultrasónicos a MK. Para generar pulsos multipolares, se utilizan ampliamente puentes de transistores y transformadores de aislamiento. Si reduce la frecuencia de generación, entonces los circuitos dados se ajustarán "uno a uno" para el rango audible, es decir. para los emisores de sonido piezocerámicos discutidos anteriormente.

Arroz. 2.53. Diagramas para conectar emisores ultrasónicos a MK (comienzo):

a) suavizar la forma de la señal suministrada al emisor ultrasónico BQ1 usando el inductor L1. La resistencia R1 regula la amplitud;

b) los transistores VT1, VT2 se abren alternativamente con pulsos cortos de MK. Para mayor confiabilidad, debe elegir transistores con una corriente de colector grande permitida para que no fallen con una baja resistencia óhmica del inductor L1\

c) el condensador C1 diferencia la señal y elimina el componente CC, lo que permite conectar el piezoemisor ultrasónico BQ1 a una fuente de alimentación bipolar;

d) transceptor ultrasónico de baja potencia. El divisor R1, R2 determina el punto de funcionamiento del ADC MK al recibir una señal y la amplitud de los pulsos de salida al transmitir una señal;

e) transceptor de telémetro ultrasónico. Frecuencia de pulso 36...465 kHz, voltaje en el emisor BQ1 50...100 V (el máximo lo selecciona el condensador C3). Los diodos VD1, VD2 limitan la señal al receptor. El transformador 77 contiene 15 vueltas de cable PEV-0,3 en los devanados I y II, y 100...200 vueltas de PEV-0,08 en el devanado III (anillo M2000HM K10x6x5); ACERCA DE

Acerca de la figura. 2.53. Diagramas para conectar emisores ultrasónicos a MK (continuación):

f) el uso del chip lógico DD1 elimina la apertura simultánea de los transistores de un brazo en el hardware. El ruido de pulso que se produce en el circuito de potencia debido a la conmutación no simultánea de los inversores DD1.l...DD13 y la dispersión de las características corriente-voltaje de los transistores se elimina mediante el filtro L /, C1. Los diodos VD1... VD4 se instalan en caso de sustitución del altavoz de audio HF BA1 (10GD-35, 6GD-13, 6GDV-4) por un emisor piezoeléctrico ultrasónico más potente;

g) aumentar la potencia del emisor BQ1 utilizando un duplicador de voltaje en el chip DD1 y aumentar la fuente de alimentación +9...+ 12 V. El transistor VT1 coincide con los niveles lógicos;

h) se produce un aumento en la amplitud del voltaje en el emisor BQJ debido al aumento del voltaje de suministro +9 V y la acumulación de energía en el inductor L1\

i) Los transistores de efecto de campo K77, VT2 (reemplazo del IRF7831) reducen las pérdidas de energía durante la conmutación. Las resistencias R1, R2 evitan que los transistores se abran cuando se reinicia MK; ACERCA DE

Acerca de la figura. 2.53. Diagramas para conectar emisores ultrasónicos a MK (final):

j) el ecolocalizador ultrasónico funciona a una frecuencia de 40 kHz y genera pulsos con una duración de 0,4 ms. La amplitud de la señal en el piezoemisor BQ1 (Murata) alcanza los 160 V. La inductancia del devanado secundario del transformador T1, junto con la capacitancia del piezoemisor BQ1, forma un circuito oscilatorio sintonizado a una frecuencia cercana a 40 kHz. La inductancia del devanado primario del transformador T1 es de 7,1 MK H, la del devanado secundario es de 146 MK H, factor de calidad Q > 80;

k) el hidroionizador ultrasónico funciona a una frecuencia de 1,8...2 MHz. El transformador T1 está enrollado en tres núcleos 50BH K20x 10x5. Los devanados I y II contienen cada uno 4 vueltas de alambre PEV-0.3 doblado en tres, el devanado III contiene 12 vueltas de alambre PEV-0.3. La bobina L1 contiene 5 vueltas de alambre PEV-0.8 en un mandril con un diámetro de 8 mm con un paso de 1 mm. El emisor BQ1 tiene un diámetro de 30 mm (piezocerámica PZT). La resistencia R1 reduce las sobretensiones en el drenaje de VT1.

Al regresar del trabajo por la noche o deambular por callejones oscuros, existe el peligro de ser atacado por perros callejeros, cuyas mordeduras a veces ponen en peligro la vida si no se consulta a un médico a tiempo. Es para estos casos que los cerebros humanos inteligentes han ideado un repelente ultrasónico.

Los repelentes industriales tienen un diseño bastante complejo y están fabricados con componentes bastante escasos.

En este artículo veremos una versión de dicho repelente que utiliza el famoso temporizador de la serie 555. El temporizador, como sabes, puede funcionar como un generador de impulsos rectangular; esta es exactamente la conexión utilizada en el circuito.

El generador funciona a una frecuencia de 20-22 kHz, ya que muchos animales se "comunican" en el rango ultrasónico. Los experimentos han demostrado que las frecuencias de 20-25 kHz provocan miedo artificial en los perros. Gracias al regulador de sintonización, el generador se puede ajustar a una frecuencia de 17-27 kHz.

El circuito en sí contiene sólo 6 componentes y no causará ninguna dificultad. Es recomendable utilizar un regulador multivuelta para una sintonización más precisa a la frecuencia deseada.
El piezoemisor se puede tomar de una calculadora o de cualquier otro juguete musical, también puede usar cualquier cabezal HF con una potencia de hasta 5 vatios, simplemente no tiene sentido hacer más.

El dispositivo funciona eficazmente a una distancia de 3 a 5 metros, ya que no hay un amplificador de potencia adicional en el circuito.

Como fuente de alimentación conviene utilizar la corona, o cualquier otra fuente con un voltaje de 6 a 12 voltios.

Lista de radioelementos

Un transductor ultrasónico sumergible es un dispositivo diseñado para transmitir vibraciones ultrasónicas a un medio líquido, que contiene una carcasa sellada con un diafragma, que forma parte de la superficie de esta carcasa, dentro de la cual se ubican y fijan al diafragma emisores y electrodos piezoeléctricos, que están conectados eléctricamente a un cable de alta frecuencia que sirve para alimentar emisores piezoeléctricos de tensión eléctrica de alta frecuencia desde un generador de frecuencia ultrasónica.

Se utiliza para excitar la cavitación ultrasónica en un medio de limpieza líquido, lo que intensifica los procesos de limpieza de piezas de contaminantes. Se utiliza en baños de limpieza por ultrasonidos con un volumen superior a 50 litros.

Fig.1 Transductor sumergible
en U.Z. baño

La estructura del transductor sumergible ultrasónico se muestra esquemáticamente en la Fig. 1.

El generador está conectado a una red de 220 voltios y 50 Hz y convierte la frecuencia del voltaje a 25.000 Hz (25 kHz) o 35 kHz. dependiendo del diseño del convertidor sumergible.

La tensión de alta frecuencia se suministra a través de un cable a una carcasa sellada del convertidor, hecha de acero inoxidable, dentro de la cual se montan emisores piezoeléctricos conectados en paralelo.

Fig.2 Diseño de un emisor piezoeléctrico.

El emisor piezoeléctrico es el componente principal del transductor ultrasónico sumergible. La estructura de este emisor se muestra en la Fig. 2.

El emisor dispone de dos placas piezoeléctricas (piezoelementos) situadas entre dos placas metálicas: una de acero situada en la parte trasera y otra de aluminio en la parte frontal.

Los piezoelementos se juntan con los revestimientos mediante un perno central. Se aplica un voltaje de alta frecuencia al electrodo central ubicado entre los piezoelementos.

El emisor piezoeléctrico convierte la energía eléctrica en vibraciones mecánicas de alta frecuencia, que se transmiten al diafragma del transductor sumergible, desde donde estas vibraciones se transmiten al líquido de lavado.

El número de emisores piezoeléctricos en un transductor ultrasónico sumergible puede oscilar entre 4 y 11 o más.

Los emisores piezoeléctricos se fijan al diafragma mediante una conexión adhesiva.

Fig.3 Transductor sumergible

En la Fig. 3 se muestra una vista general del transductor sumergible ultrasónico con una cubierta posterior parcialmente recortada. Se puede observar que los emisores piezoeléctricos están dispuestos en varias filas, dos en cada fila.

Los transductores ultrasónicos sumergibles se pueden utilizar tanto en baños de limpieza por ultrasonidos especialmente diseñados para ellos, como en baños de limpieza ya disponibles para el cliente. La conveniencia de estos convertidores es que se pueden instalar fácilmente en varias partes del volumen del baño.

A diferencia de los transductores ultrasónicos, que están firmemente sujetos al baño de limpieza en la parte inferior o lateral, los transductores sumergibles se pueden reemplazar en cuestión de minutos.

El generador para alimentar transductores sumergibles con voltaje de alta frecuencia se puede ubicar desde el baño ultrasónico a una distancia de hasta 6 metros.

Métodos para instalar transductores sumergibles en un baño de limpieza ultrasónico.

Los transductores de inmersión se pueden colocar en baños de limpieza de tres formas diferentes:

1. colocar el convertidor en el fondo del baño;
2. colgado en la pared de la bañera;
3. montando el convertidor en la pared del baño.

Fig.4 Colocación del transductor en el baño de ultrasonidos

Los dos primeros métodos no requieren hacer agujeros en la pared de la bañera.

En la Fig. 4 se muestran algunos tipos de montaje de un transductor sumergible en un baño de limpieza ultrasónico.

Al colocar el convertidor en el fondo del baño, es necesario tener en cuenta la altura de la capa de solución de lavado sobre el diafragma del convertidor.

Debe esforzarse por garantizar que la altura de esta capa sea un múltiplo de la mitad de la longitud de onda de las vibraciones ultrasónicas transmitidas a la solución de lavado por el transductor sumergible.

En este caso, debido al reflejo de las ondas de vibración ultrasónicas de la interfaz agua-aire, se crea una zona de ondas estacionarias en la solución de limpieza (fenómeno de reverberación). Cuando las ondas ultrasónicas reverberan en un líquido, la eficiencia de la limpieza ultrasónica es ligeramente mayor.

Como ejemplo, determinaremos la altura óptima de esta capa para un transductor sumergible específico.

Se sabe que la velocidad del sonido en el agua es de 1485 m/seg. La longitud de onda de las vibraciones ultrasónicas es igual a la velocidad del sonido dividida por la frecuencia de estas vibraciones.

Supongamos que tenemos un emisor ultrasónico sumergible cuya frecuencia de oscilación del diafragma es de 25.000 Hz (25 kHz). La longitud de onda en este caso será 0,0594 m. La mitad de la longitud de onda es 0,0297 mo 2,97 cm. La altura óptima del líquido en este caso sobre la superficie del transductor sumergible debe ser 2,97 cm x n donde n es cualquier número entero positivo.

Fig.5 Ondas estacionarias en un baño de ultrasonidos

Por ejemplo, para n=40, la altura óptima del nivel de la solución de lavado sobre la superficie del convertidor sumergible será 2,97x40=118,8 cm. Lo anterior se ilustra en la Fig. 5.

Se recomienda colocar transductores ultrasónicos sumergibles en las paredes del baño de limpieza cuando su profundidad sea superior a la mitad de su ancho o largo. En este caso, los convertidores se pueden colocar en una pared del baño o en las paredes opuestas.

El video muestra la colocación de transductores sumergibles en las paredes laterales del baño y el funcionamiento de los transductores ultrasónicos sumergibles ubicados en el fondo del baño.

Transductores sumergibles en acción

Seleccionar la frecuencia óptima para un convertidor sumergible

Cuando las vibraciones ultrasónicas se propagan en un líquido se produce un fenómeno llamado cavitación, que significa la formación de cavidades de cavitación en el líquido en la fase de rarefacción de la onda sonora y su posterior colapso en la fase de compresión.

Fig.6 Efecto de la frecuencia sobre la cavitación por ultrasonidos.

El comportamiento de las cavidades de cavitación al cambiar la frecuencia de oscilación se muestra en el gráfico de la Fig. 6.

El eje y del lado izquierdo muestra la cantidad de energía liberada durante el colapso de una única cavidad de cavitación (energía de cavitación), y el eje y de la derecha muestra el número de cavidades de cavitación por unidad de volumen de líquido.

Como puede verse en el gráfico, con un aumento en la frecuencia de las vibraciones ultrasónicas, el número de cavidades de cavitación en el líquido aumenta y la energía de cavitación disminuye.

A medida que disminuye la frecuencia de las vibraciones ultrasónicas, disminuye el número de cavidades de cavitación en el líquido y aumenta la energía de cavitación.

Además, para cada frecuencia de vibraciones ultrasónicas, el producto de la energía liberada por la cavidad de cavitación cuando colapsa por el número de estas burbujas en el líquido es un valor constante aproximadamente igual a la energía transmitida al líquido por el transductor sumergible ultrasónico.

La influencia de la frecuencia de las vibraciones ultrasónicas en el número de cavidades de cavitación se analiza en detalle en el sitio web.

Para la práctica, es importante que el número de cavidades de cavitación sea el mayor posible, pero al mismo tiempo la energía de cavitación debe ser suficiente para eliminar los contaminantes. Por lo tanto, para limpiar piezas de contaminantes poco adheridos a la superficie (grasas, aceites), se deben utilizar convertidores con una frecuencia de 35-40 kHz, y para limpiar piezas de contaminantes firmemente adheridos a la superficie (pastas de pulir, barnices y películas poliméricas). ), se deben utilizar convertidores sumergibles con una frecuencia de 35-40 kHz.

cambiar la imagen

Fig. 7 Baño ultrasónico con convertidores de diferentes frecuencias.

La solución más óptima es crear condiciones en las que el número de cavidades de cavitación sea grande y al mismo tiempo la energía de cavitación también sea grande.

Estas condiciones se implementan en un baño de limpieza ultrasónico con transductores sumergibles ubicados en sus paredes, como se muestra en la Fig. 7. Otra opción para la ubicación de los transductores sumergibles se puede ver si mueve el cursor a esta figura.

En este caso se utilizan dos convertidores con diferentes frecuencias de oscilación de 25 y 35 kHz. Un convertidor con una frecuencia de 35 kHz garantiza la creación de más cavidades de cavitación en el volumen de líquido de lavado, y un convertidor con una frecuencia de 25 kHz aumenta la energía de cavitación de estas cavidades.

Número óptimo de transductores de inmersión para un baño de limpieza

Al determinar la cantidad de transductores sumergibles necesarios, se debe partir del hecho de que la máxima eficiencia de la limpieza ultrasónica se logra con una potencia ultrasónica de 10...30 vatios por 1 litro de volumen del baño.

Por ejemplo, para un baño con un volumen de 50 litros, son suficientes dos convertidores del modelo PP25.8 (ver tabla a continuación).

En baños de limpieza por ultrasonidos de gran volumen, por ejemplo de más de 250 litros, se consiguen resultados satisfactorios con una potencia ultrasónica de 4,5 vatios por 1 litro de volumen del baño. Por ejemplo, para un baño con un volumen de 1000 l, son suficientes 11 convertidores del modelo PP25.8

Actualmente, existen muchos diseños de transductores sumergibles ultrasónicos en el mercado nacional.

La tabla muestra las características técnicas de los transductores ultrasónicos sumergibles de TNC Technosonic LLC (Moscú).

Este artículo no aborda completamente todos los aspectos del diseño y uso de transductores ultrasónicos sumergibles. Sin embargo, el material presentado puede ser útil para los especialistas que se enfrentan por primera vez a tareas específicas al elegir la opción óptima para un baño ultrasónico para productos de limpieza.