一種超聲系統(tǒng)諧振頻率的調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及液體超聲波技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超聲系統(tǒng)諧振頻率的調(diào)節(jié)裝置和調(diào)節(jié)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲波作用在液體中時，會產(chǎn)生機(jī)械攪拌、粉碎、活化等多重效應(yīng)，因此其廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、石油等各化工領(lǐng)域，例如超聲波反應(yīng)釜、超聲波清洗、超聲波空泡煉油等。
[0003]目前，大部分的液體超聲加載方法都是通過超聲換能器直接向目標(biāo)液體中輻射超聲波能量。但是，在實際應(yīng)用中，液體的各種屬性參數(shù)等都會實時發(fā)生變化。比如，反應(yīng)釜在工作時，內(nèi)部反應(yīng)物和生成物的濃度、溫度、壓力等因素都會發(fā)生變化；清洗槽中清洗液和清洗工件的更換，也會造成液體密度和液面高度的變化。這些因素都會直接改變目標(biāo)液體的固有頻率4超聲換能器與液體處于非諧振狀態(tài)，即兩者的阻抗不匹配，會產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，主要有以下幾點:1.超聲換能器發(fā)出的超聲波能量被大量反射回來，造成能量浪費，系統(tǒng)能量效率低下；2.目標(biāo)液體無法充分吸收超聲波能量，超聲攪拌、活化等效應(yīng)不明顯，直接影響超聲作用的效果；3.換能器產(chǎn)生的能量大量耗散在液腔外殼、換能器連接處等硬件上，加速了設(shè)備的疲勞和受損?，F(xiàn)有的超聲波換能器裝置基本無法解決換能器和反應(yīng)液之間阻抗不匹配問題。為了加強(qiáng)超聲的作用，部分廠家單方面提高超聲換能器輸出的超聲波強(qiáng)度，由此更加突出了能量浪費和設(shè)備損耗等弊端；部分廠家在液體腔體外分布多個不同頻率的超聲換能器，但有多個換能器并未同時處于有效的工作狀態(tài)；部分廠家直接改變換能器上輸入電信號的頻率，但是由于壓電陶瓷本身的諧振頻寬很窄，這種措施的變頻范圍是極其有限的。因此，有必要對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的所要解決的問題是，針對上述技術(shù)的不足，提供一種可實時維持系統(tǒng)諧振狀態(tài)的超聲系統(tǒng)諧振頻率的調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種超聲系統(tǒng)諧振頻率調(diào)節(jié)裝置，包括伸縮管、超聲換能器、阻抗分析儀、DSP控制芯片和驅(qū)動裝置，所述伸縮管的一端通過液體腔與反應(yīng)裝置連通，伸縮管的另一端連接有右法蘭盤，右法蘭盤與驅(qū)動裝置的驅(qū)動端相連，右法蘭盤可沿伸縮管的長度方向左右移動，帶動伸縮管伸長或縮短；所述超聲換能器與電源相連，超聲換能器的聲波發(fā)射端經(jīng)右法蘭盤插入伸縮管內(nèi)，超聲換能器與阻抗分析儀相連，阻抗分析儀與DSP控制芯片相連，DSP控制芯片與驅(qū)動裝置相連；其中，阻抗分析儀用于實時監(jiān)測整個系統(tǒng)的諧振頻率，并將頻率信號發(fā)送至DSP控制芯片；DSP控制芯片用于對比分析系統(tǒng)的諧振頻率與超聲換能器的工作頻率，計算兩者的頻率差值，并將其轉(zhuǎn)化為驅(qū)動裝置可識別的驅(qū)動信號，發(fā)送至驅(qū)動裝置。
[0006]按上述方案，所述驅(qū)動裝置包括驅(qū)動器、電機(jī)和滑塊，所述驅(qū)動器與電機(jī)相連，驅(qū)動電機(jī)的電機(jī)軸穿過滑塊，電機(jī)軸上的外螺紋與滑塊的內(nèi)螺紋相配置；所述滑塊與右法蘭盤固定連接；所述驅(qū)動器與DSP控制芯片相連，接收驅(qū)動信號。
[0007]按上述方案，所述伸縮管的底部安設(shè)有滑軌，伸縮管可沿滑軌伸縮。
[0008]按上述方案，在伸縮管與滑軌之間的間隙內(nèi)填充潤滑液。
[0009]按上述方案，所述伸縮管為波紋管。
[0010]按上述方案，所述右法蘭盤與超聲換能器的超聲發(fā)射端通過密封圈密封。
[0011 ] 按上述方案，所述伸縮管通過左法蘭盤與液體腔連接。
[0012]一種超聲系統(tǒng)諧振頻率調(diào)節(jié)方法，包括以下步驟:
步驟一，待反應(yīng)裝置內(nèi)的反應(yīng)液經(jīng)液體腔充滿伸縮管后，超聲換能器加載工作信號，超能換能器的超聲發(fā)射端通過伸縮管向液體腔發(fā)射超聲波；
步驟二、阻抗分析儀監(jiān)測分析系統(tǒng)的諧振頻率，并將頻率信號發(fā)送至DSP控制芯片；
步驟三、DSP控制芯片接收頻率，對系統(tǒng)的諧振頻率和超聲換能器的工作頻率進(jìn)行分析計算，若系統(tǒng)的諧振頻率與超聲換能器的工作頻率之間的頻率差值處于可接受的范圍，DSP控制芯片不向驅(qū)動裝置的驅(qū)動器發(fā)送驅(qū)動信號；若系統(tǒng)的諧振頻率與超聲換能器的工作頻率之間的差值處于不可接受的范圍，DSP控制芯片根據(jù)該差值進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果轉(zhuǎn)換為驅(qū)動器可識別的驅(qū)動信號發(fā)送至驅(qū)動器；
步驟四、驅(qū)動器接收驅(qū)動信號后驅(qū)動電機(jī)工作，使伸縮管的長度發(fā)生變化，系統(tǒng)頻率隨之變化；
步驟五，阻抗分析儀獲得新的系統(tǒng)的諧振頻率信號，步驟二至步驟四循環(huán)進(jìn)行，直至系統(tǒng)的諧振頻率與超聲換能器的工作頻率的差值處于可接受的范圍，反應(yīng)裝置中的反應(yīng)液達(dá)到諧振狀態(tài)，
按上述方案，DSP控制芯片的具體工作過程為:在DSP控制芯片中設(shè)置可接受的系統(tǒng)諧振頻率與超聲換能器的工作頻率差值X，DSP控制芯片接收到諧振振頻率為a，超聲換能器的工作頻率為b，
若兩者的頻率差值Xl的絕對值小于X，整個系統(tǒng)已接近諧振狀態(tài)，DSP控制芯片不向驅(qū)動裝置發(fā)送驅(qū)動信號，若Xl的絕對值大于x，DSP控制芯片向驅(qū)動裝置的驅(qū)動器發(fā)出初始步數(shù)為z的驅(qū)動信號，驅(qū)動裝置的電機(jī)按步數(shù)z工作，DSP控制芯片再次接收新的頻率并分析計算，得到兩頻率的差值x2 ;若x2的絕對值小于X，DSP控制芯片不向驅(qū)動器發(fā)送驅(qū)動信號，若x2的絕對值大于X，DSP控制芯片持續(xù)向驅(qū)動器發(fā)出初始步數(shù)z的驅(qū)動信號，直至計算得到與x2正負(fù)相反的新的頻率差值x3 ;
若x3的絕對值小于x，DSP控制芯片不向驅(qū)動器發(fā)送驅(qū)動信號，若x2的絕對值大于X，DSP控制芯片持續(xù)向驅(qū)動器發(fā)出步數(shù)減半且轉(zhuǎn)動方向相反的驅(qū)動信號，即電機(jī)以一半的初始步數(shù)反向運轉(zhuǎn)，直到DSP控制芯片再次計算得到與x3正負(fù)相反的新的頻率差值x4 ;
若x4的絕對值小于x，DSP控制芯片不向驅(qū)動器發(fā)送驅(qū)動信號，若x4的絕對值大于X，DSP控制芯片向驅(qū)動器發(fā)出步數(shù)再次減半的驅(qū)動信號，直至其獲得的頻率的差值x5再次發(fā)生正負(fù)改變；以上過程持續(xù)進(jìn)行，直到DSP控制芯片獲得的頻率差值的絕對值小于X，整個系統(tǒng)接近諧振狀態(tài)。
[0013]本發(fā)明的工作原理為:超聲換能器的工作頻率不變，在實際應(yīng)用中，整個超聲系統(tǒng)的諧振頻率實時改變，與超能換能器的工作頻率之間存在差值；阻抗分析儀監(jiān)測整個系統(tǒng)的頻率并將頻率信號發(fā)送至DSP控制芯片；DSP控制芯片計算系統(tǒng)的諧振頻率與超聲系統(tǒng)的工作頻率的差值，并根據(jù)差值控制驅(qū)動裝置的操作，伸縮管的長度隨之改變，達(dá)到改變系統(tǒng)的諧振頻率的目的。調(diào)節(jié)伸縮管的長度，改變系統(tǒng)的諧振頻率，其原理是:超聲換能器通過伸縮管內(nèi)的反應(yīng)液向液體腔輻射超聲波能量，伸縮管長度改變時，超聲換能器對液體腔的作用距離發(fā)生了改變，系統(tǒng)的諧振頻率也會發(fā)生相應(yīng)的變化。依據(jù)聲學(xué)相關(guān)知識，作用距離縮短，系統(tǒng)的諧振頻率會升高；相反地，作用距離增大，系統(tǒng)的諧振頻率會下降。通過控制伸縮管的長度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率，使其與超聲換能器的工作頻率接近，則整個系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明從根本上克服了現(xiàn)有技術(shù)中超聲換能器與反應(yīng)液之間阻抗不匹配、無法保持諧振的缺陷，通過調(diào)節(jié)伸縮管的長度來調(diào)整系統(tǒng)的諧振頻率，與超聲換能器的工作頻率一致，使反應(yīng)裝置中的反應(yīng)液達(dá)到諧振狀態(tài)，加強(qiáng)了超聲的作用效果，使超聲的攪拌、活化等效應(yīng)達(dá)到最佳，這種機(jī)械式的結(jié)構(gòu)大大提高了工作效率，同時也避免了現(xiàn)有技術(shù)單純通過增加超聲能量而引起的超聲能量的浪費，減弱了超聲能量對設(shè)備的損耗；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單合理，效果顯著，在多領(lǐng)域均可利用，值得推廣。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明中超聲系統(tǒng)諧振頻率調(diào)節(jié)方法的流程圖。
[0016]圖2為本發(fā)明中一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3為本實施例超聲發(fā)射裝置的剖視圖。
[0018]其中:1、進(jìn)料口 ；2、攪拌電機(jī)；3、釜體；4、出料口 ；5、左法蘭盤；6、波紋管；7、滑塊；8、電機(jī)；9、驅(qū)動器；10、DSP控制芯片；11、滑軌；12、超聲換能器；13、阻抗分析儀；14、液體腔；15、反應(yīng)液；16、潤滑液；17、O型密封圈；18、右法蘭盤；19、驅(qū)動軸。
【具體實施方式】
[0019]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。
[0020]如圖1和圖2所示的一種超聲系統(tǒng)諧振頻率調(diào)節(jié)裝置，包括伸縮管、超聲換能器12、阻抗分析儀13、DSP控制芯片10和驅(qū)動裝置，本實施例中采用的伸縮管為波紋管6，波紋管6的一端通過液體腔14與反應(yīng)裝置連通，波紋管6的另一端連接有右法蘭盤18，右法蘭盤18與驅(qū)動裝置的驅(qū)動端相連，右法蘭盤18可左右移動，帶動波紋管6伸長或縮短；超聲換能器12的發(fā)射端經(jīng)右法蘭盤18插入波紋管6內(nèi)，并通過O型密封圈17進(jìn)行密封處理；超聲換能器12的電氣端與阻抗分析儀13相連，阻抗分析儀13與DSP控制芯片10相連，DSP控制芯片10與驅(qū)動裝置相連；其中，阻抗分析儀13用于實時分析整個系統(tǒng)的諧振頻率，并將頻率信號發(fā)送至DSP控制芯片10 ;DSP控制芯片10用于分析系統(tǒng)的諧振頻率與超聲換能器的工作頻率，計算兩者的頻率差值，并將其轉(zhuǎn)化為驅(qū)動裝置可識別的驅(qū)動信號，發(fā)送至驅(qū)動裝置。
[0021 ] 本實施例中，驅(qū)動裝置包括驅(qū)動器9、電機(jī)8和滑塊7，驅(qū)動器9與電機(jī)8相連，控制電機(jī)8工作；電機(jī)8的驅(qū)動軸19穿過滑塊7，驅(qū)動軸19上的外螺紋與滑塊7的內(nèi)螺紋相配置；滑塊7與右法蘭