منبع تغذیه یا ژنراتور التراسونیک
امروزه امواج التراسونیک کاربردهای بسیار گسترده ای در صنایع مختلف دارند. از جمله کاربردهای التراسونیک در صنعت می توان به جوش فلز و پلاستیک، همگن سازی و همچنین تمیزکاری اشاره نمود که هر کدام از آنها شاخه مجزا و وسیعی را شامل می شوند.
ژنراتورهای التراسونیک که کار اصلی آنها تولید این امواج می باشد، یکی از مهمترین اجزای دستگاه های صنعتی اولتراسونیک هستند. تنوع ژنراتورهای التراسونیک بسته به توان کاری، آنالوگ یا دیجیتال بودن و همچنین فرکانس کاری بسیار زیاد است.
- منبع تغذیه التراسونیک
امواج التراسونیک به امواج ارتعاشی گفته می‌شود که فرکانسی بالاتر از محدوده شنوایی انسان دارد که این فرکانس عموما 20 کیلوهرتز است. یک مجموعه التراسونیکی از المان‌های اصلی شامل منبع تغذیه، بوستر، ترنسدیوسر یا کانورتر، هورن یا سونوترود تشکیل شده است. منبع تغذیه یا ژنراتور التراسونیک، انرژی الکتریکی را از فرکانس Hz60-50 و اختلاف پتانسیل 220 ولت به خروجی متناوب الکتریکی با فرکانس 100-20 کیلوهرتز (در محدوده فرکانس فراصوت توان بالا) با ولتاژ 500-2000 ولت تبدیل می‌کند که اين مقدار ولتاژ به توان خروجي مدنظر ژنراتور بستگي دارد (شکل 1). توان خروجی انواع صنعتی منبع تغذیه بطور عمومی در محدوده 5000-200 وات است که وابسته به تجهیزات التراسونیک استفاده شده است.
- مشخصات فنی دستگاه منبع تغذیه
توان نامی | 100 وات تا 4.2 کیلووات |
فرکانس کاری | 15 تا 60 کیلوهرتز |
قابلیت ها |
|
- مکانیزم کنترل منبع تغذیه در حالت اول
حالت اول طراحی منبع تغذیه التراسونیک، مبتنی بر "ثابت نگه داشتن توان خروجی" است. حین فرایند کاری با تغییر نیرو و یا شرایط به کارگیری مجموعه التراسونیک، فرکانس رزونانس مجموعه مکانیکی کمی تغییر می‌نماید؛ به همین دلیل در منابع تغذیه پیشرفته‌تر قابلیت تنظیم خودکار فرکانس (بر مبنای حداکثر جریان خروجی از منبع تغذیه و یا اختلاف فاز صفر بین ولتاژ و جریان خروجی) وجود دارد که منبع تغذیه دیجیتال شرکت دانش بنیان فراصوت تجهیز ایرانیان نیز دارای این ویژگی است.
میزان تغییر راندمان مجموعه التراسونیک در اثر شیفت فرکانسی به مقدار Q فاکتور طراحی مجموعه بستگی دارد؛ اگر مجموعه دارای منحنی رزونانس باریک باشد، تغییر اندک در فرکانس رزونانس، منجر به افت قابل توجه دامنه ارتعاشی می‌شود و در صورتی که منحنی رزونانس پهن باشد، افت عملکردی در اثر شیفت فرکانسی کمتر است. در شرکت دانش‌بنیان فراصوت تجهیز ایرانیان، بعد از طراحی و ساخت هر مجموعه، منحنی فرکانسی مجموعه استخراج و کیفیت مجموعه مورد بررسی قرار می‌گیرد. لازم به ذکر است که افزودن سایر المان‌های آکوستیکی نظیر بوستر و هورن به ترنسدیوسر منجر به باریک شدن بیشتر منحنی کیفیت شده و استفاده از سیستم‌هایی با قابلیت تنظیم اتوماتیک اهمیت بیشتری پیدا می کند. برای جستجو و ردیابی فرکانس معمولا از اختلاف فاز بین ولتاژ و آمپر استفاده می‌شود تا در یک مقدار مشخصی ثابت نگهداشته شود.
- مکانیزم کنترل منبع تغذیه در حالت دوم
حالت دوم طراحی منبع تغذیه مبتنی بر “کنترل دامنه خروجی منبع” به جای توان خروجی است؛ زیرا توان مصرفی منبع تغذیه التراسونیک، حاصلضرب نیرو در سرعت است که در اینجا سرعت متناسب با دامنه خروجی است. بنابراین، در یک توان مشخص، کم و زیاد کردن دامنه منجر به زیاد و کم شدن نیرو می‌گردد. در این الگوریتم، دامنه خروجی به صورت یک متغیر مستقل ورودی تعریف می‌شود که باید ثابت بماند و متناسب با آن توان، یک متغیر وابسته در نظر گرفته می‌شود. در خصوص تغییر دامنه به این نکته باید توجه کرد که وقتی مجموعه التراسونیک در حالت غیربارگذاری کار می‌کند، دامنه بالاتری نسبت به حالت تحت بارگذاری دارد. با افزایش بار یا به عبارتی فشار وارد بر هورن التراسونیک، میزان دامنه کاهش یافته یا به عبارتی به سمت میرا شدن میل می‌کند.
در مشابه‌سازی این سیستم با حرکت اتومبیل، افزایش دامنه به منزله افزایش دنده اتومبیل و در نتیجه کاهش توان است. در مواقعی که اتومبیل در سربالایی قرار می‌گیرد، باید از دنده سنگین یعنی دامنه کمتر استفاده کرد تا سیستم نیروی لازم برای ادامه مسیر را داشته باشد. این الگوریتم کنترلی مشابه مکانیزم کروز کنترل خودرو است که بدون توجه به جاده و وابستگی آن به نوع دنده، سعی می‌کند خودرو همواره با یک سرعت ثابتی حرکت کند.
- انواع موج خروجی منبع تغذیه
- موج سینوسی: اعمال موج سينوسي به ترنسدیوسر التراسونیک، منجر به تحريک ترنسديوسر در يک تک فرکانس مي‌گردد که از نظر اجرايي محبوب‌ترين نوع پالس قابل استفاده در منبع‌هاي تغذيه يونيورسال مي‌باشد؛ که منبع تغذیه شرکت دانش بنیان فراصوت تجهیز ایرانیان با این شکل موج خروجی کار می‌کند.
- موج مربعی: اعمال موج مربعی به ترنسدیوسر اولتراسونیک، منجر به خروجی نوسانی می شود یعنی از منظر ریاضی یک موج مربعی را می‌توان به چند موج سینوسی تبدیل کرد. این مورد در سیستم هایی به کار گرفته می‌شود که بطور همزمان نیاز به ارتعاش در چند فرکانس رزونانس دارند که همگی مضاربی از فرکانس اصلی هستند.
- حالت پالسی: در حالت پالسی انرژی خروجی با زمان قابل تنظیم از چند ثانیه تا چند صد ثانیه، روشن و خاموش می شود که شماتیک آن در شکل زیر نشان داده شده است. نرخ پالس کم در فرآیندهایی نظیر شستشو با ایجاد فرصت کافی برای به سطح آمدن حباب ها در حین خاموشی پالس، باعث گاززدایی سریع مایعات می شود و نرخ پالس سریع، موجب تشدید مکانیزم با افزایش انفجارهای پرانرژی در لحظه روشنی منبع می شود. همچنین خروجی پالسی موجب تسریع کاویتاسیون در ترپن ها و مواد شیمیایی با پایه نفت می شود.
- موج خروجی جاروبی: این حالت در ژنراتورهای شستشوی التراسونیک کاربرد دارد. در این حالت، فرکانس خروجی حول یک مقدار مرکزی قابل تنظیم تغییر می کند. اثرات متفاوتی با تغییر سرعت و بزرگی فرکانس جاروبی بدست می آید. فرکانس ممکن است از چند هرتز تا چند کیلو هرتز تغییر کند. در فرکانس جاروبی در سیستم‌هایی نظیر هموژنایزر و سیستم شستشو، موج ساکن و نقاط مرده که از مشخصات سیستم با فرکانس ثابت هستند، حذف می گردند و برای جلوگیری از آسیب دیدگی قطعات ظریف در مخزن های شستشو استفاده می شود. همچنین جاروب در تسریع کاویتاسیون ترپن ها و مواد شیمیایی نفتی موثر است.
