一.超聲波清洗機的原理及組成.
超聲波清洗机主要由超聲波信號發生器換能器及清洗槽組成.超聲波信號發生器產生高頻振蕩信號,通過換能器轉換成每秒几万次的高頻机械振蕩,在清洗液(介質)中形成超聲波,以正壓和負壓高頻交替變化的方式在清洗液中疏密相間地向前輻射傳播,使清洗液中不斷產生無數微小气泡并不斷破裂,這种現象稱之為“空化效應”.气泡破裂時可形成1000個大气壓以上的瞬間高壓,產生一連串的爆炸釋放出巨大能量,對周圍形成巨大衝擊,從而對工件表面不斷進行衝擊,使工作表面及縫隙中的污垢迅速剝落,從而達到工件表面淨化的目的. 主要應用于机械、電子、光學、醫藥、電鍍、涂裝及真空鍍膜前處理等行業.特別适用于表面形狀复雜的零件,如對精密工件上的狹縫、凹槽、深孔、肓孔的清洗,同時能夠清洗掉零件表面油污、鏽蝕及氧化皮.特別對制藥行業各种玻璃制器及內外科器械的清洗效果最為理想,不僅能達到清洗的目的,還能對玻璃器皿內外壁附著的各种微生物、病菌起到粉碎作用,達到清洗消毒滅菌的作用. 影響超聲波清洗机效果的因素很多,主要有以下几种: 超聲波功率密度:功率密度越高,空化效果越強,清洗效果越好,清洗速度越快.對于難清洗的工件宜采用大功率密度,對于精密工件宜采用小功率密度.超聲波頻率:頻率越低,空化越好,頻率越高,折反射效果越好.對于簡單表面宜采用低頻,對于复雜表面及深孔盲孔宜采用高頻. (20KHz/28KHz/40KHz/80KHz/0.8MHz)清洗溫度:超聲波在40℃~50℃時空化最好.溫度越高,越有利于污物分解,但當溫度達到70℃~80℃以后,便影響超聲波發揮作用,降低清洗效果.清洗時間:清洗時間越長效果越好,特殊材料除外.清洗溶液(介質)的种類:根据對象不同,選擇不同的參數,以達到最好的清洗效果.
二.行業現狀及發展趨勢:
1.成本控制對業內的影響:
隨著工業化的全面發展,業內對超聲波清洗機的要求也越來越高,用途也越來越廣泛.國內超音波公司也得到了可觀的發展.其在成本控制上也獲得了較大的進展.可以說,超聲波清洗已經從工業用途急速向民用方向發展.
2.國內的産業結構對行業的影響:
隨著中國的産業結構調整步伐的加快,以及區位優勢的平衡和國家對第三世界市場的重視.一大批新興工業將在內地城市興起.很多生産型企業遷往內地城市以獲得更高附加值.據筆者了解,大多超音波廠家的客戶群分散於全國各地,這就為售後服務帶來了很大的難度.
綜上所述,超聲波行業將在今後幾年有一個長足的發展,但是成本,性能與售後服務將是今後各超聲波公司賴以生存的三大條件.
三.超聲波信號發生器對超聲波清洗機的影響.
1.目前的超聲波清洗機中,換能器及清洗槽技術相當成熟.而發生器則成為制約其壽命及售後服務的關鍵因素.
2.超聲波信號發生器目前存在的問題:
A.輸出功率不穩定,平均功率偏小.(比如一台標準為3000W的機器,平均功率不足30%.)
B.輸出沖擊電流大,容易損壞振子.
C.頻率偏差大,對環境要求高.輸出功率隨環境彎化而彎化,使得其不易可控.
D.振子老化後對功率影響大,一般兩三個月需要重調一次.使得售後服務變得非常麻煩.
綜上所述,發生器已經成為超生波行業發展的關鍵因素.正確認識和了解它的設計原理及各種方案的優缺點就是至關重要的了.接下來筆者將對目前市面上的不同信號發生器的設計原理進行剖析,對其優劣性進行類比.
一.一個好的信號發生器必須具備的條件:
1. 輸出功率穩定,輸出電流為幅度可調的純正弦波.如果電流波形失真,將對振子造成較大傷害.原因是失真的電流信號(非正弦波信號)將會對振子造成沖擊.或者引起其多次諧振,嚴重影響其使用壽命.
2. 輸出功率強勁,輸出平均功率與峰值功率幾乎相等.否則,則平均功率較小,或者峰值功率過大,前者則輸出功率不夠,後者則容易損壞振子.反之則需經常調試.且元件自損耗嚴重,發熱量大,機器故障率高.
3. 開關頻率跟隨輸出儲能電感與振子的諧振頻率,使其能夠在不同條件下(水深,溫度,負載變化,振子老化)均能達到功率最大點,也就是裝機調試好後無須再調.為售後服務供了必要的條件.
4. 機器轉換效率高,元件發熱量低.
5. 元件設計可靠性高,MTBF高.機器壽命方有充足保障.
6. 保護電路完善.
二. 信號發生器的主要電路架構及其性能評估簡要.
目前市面上的發生器主要分為兩大類,其中一種是自激式.另一種為它激式.其中前者在前幾年應用得較多,其缺點是機器笨重,控制電路比較麻煩,故障率高,常易炸機等問題.所以其大多已經被淘汰.而另一種它激式又分為兩類,一種為可控硅整流式,另一類為PWM式.
1.可控硅整流式:
A. 可控硅整流式為目前使用最多之架構,其特點是線路簡單,成本低廉.但它限制了輸入電容的擴大,而開關占空比以接近50%運行.故其輸出電流會隨其輸入電壓的波動而産生極大的電流波動.輸出電流在輸入電壓為波峰時,沖擊非常大,而在波穀時,卻又只有很微小電流.如果在要保證其沖擊不會燒壞振子(不超過振子的額定功率)的情況下,則其輸出平均功率約等於峰值功率的1/3.14,如果想把平均功率提高,就意味著必須讓振子承受超過其額定功率的代價.所以,功率局限性是其最大的一個問題.
B. 輸出電流波形雜亂,對振子影響大,開機振子發熱現象嚴重.
C. 無追頻功能.功率衰减严重,一般两三个月须重调一次.
2.PWM方式
A….PWM,是脈衝寬度調制的簡稱.它是目前開關電源應用最為廣泛的一種架構.它不再對輸入電容進行限制,因此允許有較大功率的輸出.輸出電壓與輸出電流的可控性非常好.但其應用在超聲波電源上時,因為輸出電壓是一交流波形,故不能以二極管方式續流.所以,無縫續流電路是非常必要的.目前市面上的PWM機都沒有這個電路.它使得開關器件應力非常高.儲能電感和變壓器等感性元件容易飽和.因此炸機率也比較高.同時,它還會引起輸出電流波形失真.振子壽命受到影響.
B.輸出電流波形雜亂,對振子影響大,開機振子發熱現象嚴重.
C.無追頻功能.功率衰减严重,一般两三个月须重调一次.
由此,我們可以知道,一個好的超聲波信號發生器的功能實現,可以以這種方式進行;
A. 采用PWM架構,增加輸入電容.以增大輸出功率.並在輸入電壓在波峰與波穀之間變化時盡可能的使輸出電流平均,使平均功率接近於峰值功率.
B. 增加無縫續流技術.
C. 增加自動頻率追蹤功能,使開關頻率使終等於後級LC諧振頻率.讓輸出功率隨時保持強勁.
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