Исследование изменений электрических параметров ультразвуковых колебательных систем в процессе УЗ воздействия на жидкие и жидкодисперсные среды

Леонов Г.В., Хмелев В.Н. (vnh@bti.secna.ru), Барсуков Р.В., Хмелев М.В.,

Цыганок С.Н.

Бийский технологический институт (филиал) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

1. Введение

Эффективность УЗ технологий сегодня не вызывает сомнений. Они позволяют решить множество проблем связанных со сверлением хрупких материалов, сваркой полимеров, мелкодисперсным распылением. Особенно широкое распространения получили УЗ технологии для интенсификации процессов в жидких и жидкодисперсных средах (эмульгирование, диспергирование, дегазация, экстрагирование, пропитка т.п.).

Все ультразвуковые технологические процессы, проходящие в жидких средах, основаны на создании кавитации в технологической среде, точнее режима «развитой кавитации».

Технологические процессы в различных средах реализуются при помощи УЗ аппаратов, состоящих из электронного генератора и ультразвуковой колебательной системы (УЗКС). Максимальная эффективность протекания процесса обеспечивается при оптимальном согласовании электронного генератора и УЗКС и соответствия рабочей частоты генератора резонансной частоте УЗКС.

Различные технологические среды по разному влияют на параметры электронного генератора и УЗКС [1]. Степень влияния технологических сред определяется вязкостью жидкой среды, количеством твердого вещества, затуханием ультразвуковых колебаний. Кроме того, изменение параметров УЗКС происходит при реализации ультразвукового воздействия (например, переход от масла или воды в процессе эмульгирование, набухание веществ при экстрагировании и т.п.).

Известно также, что свойства обрабатываемых технологических сред изменяются при увеличении амплитуды колебаний, что обусловлено возникновением и развитием кавитационных процессов (образование облака парогазовых пузырьков на излучающей поверхности).

Все возможные изменения свойств обрабатываемых технологических сред обуславливают изменение собственной резонансной частоты и добротности УЗКС, приводя к ее рассогласованию с электронным генератором по частоте и напряжению. При этом существенно уменьшается амплитуда колебаний ультразвуковой колебательной системы и снижается эффективность реализации процессов вплоть до нуля, при не достижении кавитирующего процесса.

Таким образом, при реализации технологических процессов в различных средах, возникает необходимость в непрерывном контроле свойств обрабатываемых сред и непрерывной перестройке генератора, в соответствии со всеми возможными изменениями параметров технологических сред, только в этом случае обеспечивается ультразвуковое воздействие с максимальной эффективностью.

В связи с этим возникла необходимость в проведении экспериментальных исследований по выявлению степени влияния различных технологических сред на электрические параметры ультразвуковых колебательных систем.

Проведению экспериментальных исследований, анализу полученных результатов и выработки требований к параметрам и режимам перестройки электронных генераторов посвящена представляемая работа.

2. Экспериментальная установка и оборудование

При УЗ воздействии на различные жидкие и жидкодисперсные среды происходит изменение электрических параметров УЗКС. Диапазоны изменения электрических параметров УЗКС зависит от величины акустической нагрузки, режимов УЗ воздействия. Для практического измерения и исследования электрических параметров колебательных систем предложен и разработан специализированный измерительный стенд, структурная схема которого представлена на рисунке 1.а.

В качестве источника питания УЗКС использовался генератор электронных колебаний УЗ частоты, мощностью 400 Вт. Были использованы УЗКС с рабочими инструментами двух типов: цилиндрические с различной площадью излучающей поверхности и грибовидные. Для проведения практических исследований были использованы следующие технологические среды:

-водная среда;

-водная среда под давлением 7 атм.;

-воздушная среда;

-растворитель;

-машинное масло.

Выбор материалов позволил перекрыть широкий диапазон известных жидких сред с различной кавитационной прочностью.

R - резистивные датчики для снятия токов и напряжений; Z - импеданс УЗКС; С ■ дополнительная емкость; G - перестраиваемый генератор.

Рисунок 1 - Структурная схема для измерения электрических параметров УЗКС

Специализированный измерительный стенд, блок схема которого представлена на рисунке 1, состоит из устройства управления, резистивных датчиков, ультразвуковой колебательной системы с пьезоэлектрическим преобразователем и ультразвукового электронного генератора. При работе измерительного стенда осуществляется:

-сбор текущих значений электрических параметров ультразвуковых колебательных систем и электронных генераторов (электрическое напряжение на пьезокерамических элементах ультразвуковой колебательной системы, ток, потребляемый колебательной системой от электронного генератора, ток, протекающий по дополнительной емкости С, частота питающего УЗКС электрического напряжения, значение фазовых сдвигов между контролируемыми токами и напряжениями);

-перестройку частоты электронного генератора в диапазоне от 15 кГц до 25 кГц для снятия частотных характеристик контролируемых электрических параметров колебательных систем, резонансные частоты которых лежат в пределах этого диапазона ;

-управление мощностью электронного генератора для получения зависимостей параметров ультразвуковых колебательных систем от параметров технологических сред в

различных режимах (работа в докавитационном режиме, на пороге зарождения кавитации, в режиме развитой кавитации);

- формирование потока полученных данных для его последующей обработки, вычисления новых параметров и характеристик, анализа и визуализации на ЭВМ.

Для проведения экспериментов, ультразвуковой электронный генератор оснащался электрическими датчиками для измерения электрических параметров колебательных систем и электронных генераторов (электрического напряжения на пьезокерамических элементах ультразвуковой колебательной системы, тока, потребляемого колебательной системой от электронного генератора, тока, протекающего по дополнительной емкости С, как показано на рисунке 1), электрические сигналы с которых поступают на устройство управления.

3.Методика проведения экспериментов

Исследования были проведены в два этапа.

Первый этап заключался в получении амплитудно-частотных характеристик электрических параметров ультразвуковой колебательной системы [2,3] путем прямых измерений (при помощи аналого-цифровых преобразователей, входящих в состав устройства управления) при различных частотах напряжения питания колебательной системы, накоплении измерительной информации в устройстве управления (смотри рисунок 1) и ее последующей передачи в виде последовательного потока цифровых данных на ЭВМ.

Получение амплитудно-частотных зависимостей электрических параметров колебательной системы осуществляется путем плавной перестройки частоты электронного генератора в заданном частотном диапазоне с непрерывным измерением электрических параметров колебательной системы. При ширине частотного диапазона перестройки электронного генератора 10 кГц, время его сканирования составляло 5 сек.

Амплитудно-частотные характеристики электрических параметров УЗКС измерялись при разных напряжениях питания ультразвуковой колебательной системы. Это позволило для каждого отдельного эксперимента (УЗ обработка конкретной технологической сред с использованием определенного типа рабочего окончания) получить 250 зависимостей, соответствующих разным напряжениям питания колебательной системы.

В ходе проведения измерений обеспечивалось накопление и передача измерительной информации по последовательному каналу (RS-232) ЭВМ для ее дальнейшей обработки.

Второй этап заключался в обработке накопленных данных, а именно визуализации первичных данных (амплитудно-частотных характеристик), обработке первичных данных, получении новых зависимостей для и их визуализации и анализа. Результатом обработки накопленных данных являются графические зависимости измеряемых параметров и их численные значения.

4.Анализ результатов

На рисунке 2 представлены результаты экспериментальных исследований (АЧХ тока механической ветви колебательной системы (б); АЧХ тока, потребляемого колебательной системой от электронного генератора (а); АЧХ электрического напряжения на пьезокерамических элементах ультразвуковой колебательной системы (в) для различных напряжений питания колебательной системы).