Ультразвук и ультразвуковые технологии

Использование высокоскоростных мощных транзисторов позволило применить схемы двухтактных выходных каскадов, в которых транзисторы работают в режиме переключения. В этом режиме рабочие точки транзисторов во время основной части периода находятся в областях насыщения и отсечки, обеспечивая минимальную мощность рассеивания в цепи коллекторов и высокий КПД (более 85%).

При использовании режима переключения напряжение на выходе генератора имеет прямоугольную форму. Нечетные гармоники имеют значительный вес и приводят к дополнительным потерям в транзисторах и колебательной системе.

Для исключения влияния высших гармоник, согласование генератора с колебательной системой осуществляется с помощью корректирующих фильтров, которые на основной частоте приводят входное сопротивление нагрузки к активной величине, а на высших гармониках значительно повышают комплексное сопротивление нагрузки.

В качестве корректирующих элементов используются цепи из реактивных элементов. На рис. 22 показана схема включения УЗ колебательной системы с пьезоэлектрическими активными элементами.

Рис. 22 - Эквивалентная схема включения колебательной системы

В такой схеме корректирующий фильтр образуется собственной электрической емкостью пьезоэлементов С _п и индуктивностью дросселя L. На основной частоте параллельное соединение собственной емкости пьезоэлементов С _п и активного сопротивления потерь R совместно с индуктивностью L дросселя обеспечивает резонанс на основной частоте.

Введение корректирующих фильтров обеспечивает косинусоидальную форму токов через транзисторы усилителя мощности, что создает наиболее благоприятные условия для переключения транзисторов и обеспечивает расширение частотного диапазона генераторов.

Все ультразвуковые генераторы выполняются многокаскадными. Каждый каскад усиления генераторов работает в режиме переключения. Для обеспечения наилучших условий работы транзисторы включаются с общим эмиттером. Выходные каскады генераторов выполняются по двухтактным полумостовым схемам, обеспечивающим минимальные искажения усиливаемых сигналов и выходные мощности до 500 Вт.

Генераторы ультразвуковых многофункциональных аппаратов выполняются по схемам с независимым возбуждением, по схемам с самовозбуждением и по схемам с автоподстройкой частоты.

2.2.2 Ультразвуковые генераторы с независимым возбуждением

В генераторах с независимым возбуждением электрические колебания УЗ частоты вырабатываются отдельным генератором малой мощности - задающим генератором. Малая мощность задающего генератора позволяет легко выполнять условия получения необходимого электрического сигнала и обеспечивать его изменения при перестройках.

Сигнал с задающего генератора усиливается каскадом предварительного усиления, обеспечивающим необходимые условия работы выходного каскада и устраняющим влияние усилителя мощности на режим работы задающего генератора.

Выходной каскад - усилитель мощности доводит мощность на выходе генератора до требуемой величины. Согласование выходного каскада генератора с ультразвуковой колебательной системой осуществляется колебательным контуром, компенсирующим реактивные составляющие токов и напряжений преобразователя.

Генератор с независимым возбуждением позволяет обеспечить плавную регулировку его рабочей частоты в широких пределах, очень прост в реализации и использовании.

По этой причине, для создания УЗ многофункционального аппарата мощностью 25 Вт для индивидуального потребителя использована принципиальная схема генератора с независимым возбуждением, показанная на рис. 19.

Схема включает в себя перестраиваемый задающий генератор, выполненный на элементах DD1.1, DD1.2, буферный каскад на элементе DD1.3, формирователь прямоугольных импульсов на элементе DD2, предварительный усилитель на транзисторах VT1, VT2, усилитель мощности на транзисторах VT3, VT4, высоковольтный источник питания (300В), выполненный на элементах VD1 - VD4, С2, С3, низковольтный стабилизированный источник питания (9 В) задающего генератора на элементах VS1, R8, VD5, C4, C5, источник питания предварительного усилителя, выполненный на элементах VD8, VD9.

Рабочая частота генератора определяется элементами положительной обратной связи задающего генератора и регулируется потенциометром R2.

Трансформатор TR1 обеспечивает задержку включения одного из транзисторов выходного каскада на время, необходимое для рассасывания заряда на базе второго транзистора перед его включением. Это исключает появление сквозных токов через транзисторы VT3, VT4.

Кроме того, транзисторы выходного каскада защищены диодами VD6, VD7 от инверсного режима работы, возникающего при рассогласовании генератора с нагрузкой.

Несомненное достоинство генераторов с независимым возбуждением - возможность их перестройки в широких пределах.

Недостатки таких генераторов заключаются в трудности точной настройки на частоту механического резонанса колебательной системы и невозможности отслеживания быстроизменяющихся параметров обрабатываемых сред.

Большую часть времени генератор с независимым возбуждением работает не в оптимальном режиме (т.е. вблизи, а не на резонансной частоте колебательной системы), что приводит к дополнительным потерям энергии и снижению КПД.



Рис. 23 - Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением

Поэтому, при очевидной простоте схемного решения, генераторы с независимым возбуждением не пригодны для использования в многофункциональных аппаратах большой мощности.

2.2.3 Генераторы с самовозбуждением

На практике, наиболее широко используемыми являются ультразвуковые генераторы, выполненные по схемам самовозбуждения, в которых весь тракт усилителя и колебательной системы охвачен положительной обратной связью так, что в нем возникают автоколебания на частоте максимальных механических колебаний рабочей колебательной системы.

Примером генераторов с самовозбуждением могут служить генераторы технологических аппаратов фирмы "KLN Ultraschal GVBH" (ФРГ) для ультразвуковой сварки, генераторы аппаратов фирмы " Вranson " (Великобритания) для УЗ ванн очистки и отечественные аппараты типа УЗ01-01.

Для формирования сигнала обратной связи в генераторах с самовозбуждением применяются мостовые схемы, схемы с дифференциальным трансформатором, а также различные индуктивные и емкостные схемы положительной обратной связи.

Основным недостатком генераторов с самовозбуждением является необходимость его перенастройки при смене колебательной системы или рабочих инструментов для выполнения различных технологических операций. Кроме того, в генераторах с самовозбуждением невозможно осуществлять регулирование выходных параметров аппарата (например, интенсивности УЗ колебаний на рабочем инструменте колебательной системы), поскольку необходимыми условиями оптимальной работы аппарата с самовозбуждением являются баланс фаз и баланс амплитуд, нарушение которых ведет к срыву автоколебаний.

Происходит это потому, что нарушение режимов работы ультразвуковой колебательной системы (изменение нагрузки, нагрев и т.п., а также изменение электрических и геометрических параметров самой колебательной системы) приводит к расстройке одновременно двух взаимосвязанных систем: системы выделения сигнала обратной связи и системы согласования колебательной системы с генератором. Поэтому перестройка аппарата требует изменения и взаимной увязки всех элементов, что представляет собой сложную техническую задачу, решение которой практически трудно осуществимо в процессе эксплуатации аппарата.

На практике, при выполнении различных технологических операций, требуется быстрая настройка аппарата при изменении параметров колебательной системы путем изменения характеристик (регулирования) одного электронного элемента, а также осуществление регулирования выходных параметров аппарата в процессе выполнения технологических операций.

По этой причине, для многофункционального УЗ аппарата необходимо использовать генераторы с самовозбуждением, позволяющие осуществлять широкий спектр операций с различными по конструкции рабочими инструментами колебательных систем и позволяющего легко осуществлять перестройку электронным способом характеристик аппарата в процессе его эксплуатации при обработке различных материалов, сред и объектов при различных уровнях нагрузки и т.п.

Принципиальные схемы ультразвуковых генераторов для использования в составе многофункциональных УЗ аппаратов показаны на рис. Принципиальные схемы отличаются способами формирования сигнала обратной связи и перестройки характеристик аппарата, а также мощностными характеристиками. Генератор, показанный на рис. более прост в реализации, имеет мощность 40 Вт и предназначен для комплектации многофункционального аппарата 2 типа. В нем обратная связь формируется с помощью перестраиваемого емкостного элемента. Генератор, принципиальная схема которого приведена на рис., более сложен, имеет электронные регулировки частоты и мощности. Такой генератор может использоваться для комплектации аппаратов второго и третьего типов.

Ввиду большей универсальности этого генератора рассмотрим подробно его устройство и принцип работы.

Схема ультразвукового генератора, показанная на рис. 24 содержит усилитель УЗ частоты, выполненный на транзисторах VT2, VT3, рабочую колебательную систему ZQ1, схему согласования усилителя с колебательной системой, содержащую дроссель L, трансформатор TR3, а также схему положительной обратной связи, выполненную на элементах С1, С2, С3, R1, TR1, схема обратной связи своим входом электрически соединена с выходом усилителя через комплексное сопротивление, включающее выходное сопротивление усилителя и разделительный конденсатор С4, и выполнена в виде последовательно включенных конденсатора и первичной обмотки дополнительного трансформатора TR1, вторичная обмотка которого соединена с механически или электрически перестраиваемым резистивным элементом R1, при этом схема согласования подключена параллельно схеме выделения сигнала обратной связи и выполнена в виде последовательно включенных компенсирующего дросселя L и выходного трансформатора TR3.

Рис. 24 - Принципиальная схема генератора мощностью 40вт

УЗ аппарат содержит усилитель на транзисторах VT2 и VT3, работающих в режиме переключения, что позволяет обеспечить максимальный коэффициент преобразования биполярного напряжения питания в электрические колебания УЗ частоты. Нагрузкой усилителя являются последовательно включенные через разделительный конденсатор С4, компенсирующий дроссель L и первичная обмотка выходного трансформатора TR3. Ко вторичной обмотке трансформатора TR3 подключена рабочая колебательная система ZQ1, содержащая пьезоэлектрический преобразователь, согласующий концентратор и рабочий орган, для ввода УЗ колебаний в обрабатываемые материалы, объекты и среды.

Компенсирующий дроссель L и трансформатор TR3 обеспечивают согласование усилителя с рабочей колебательной системой. Схема выделения сигнала обратной связи, являющаяся одновременно схемой настройки и регулирования параметров аппарата, содержит последовательно включенные конденсаторы С1, С2, С3 и первичную обмотку трансформатора TR1. Выделенный сигнал подается на последовательно включенную со схемой выделения сигнала обратной связи первичную обмотку трансформатора TR2.

Параллельно вторичной обмотке трансформатора TR1 подключен резистивный элемент R1, сопротивление которого может изменяться механическим или электронным способом (например, переменный резистор для ручной регулировки аппарата или электронная схема с перестраиваемым выходным сопротивлением для автоматизированной перестройки аппарата).

Схема выделения сигнала обратной связи с последовательно подключенной к нему первичной обмоткой трансформатора TR2 соединена с выходом усилителя на транзисторах VT2 и VT3 через комплексное сопротивление, представляющее собой выходное сопротивление усилителя и разделительный конденсатор C4, т.е. подключена параллельно схеме согласования усилителя с рабочей колебательной системой. Обмотки трансформатора TR1 выполнены на общем магнитопроводе. Применение вторичной обмотки трансформатора TR1, расположенной на одном магнитопроводе с первичной обмоткой, позволяет за счет изменения величины нагрузочного сопротивления R1 (или выходного сопротивления перестраиваемых электронных схем) изменять индуктивность первичной обмотки трансформатора TR1 Изменение индуктивности первичной обмотки трансформатора TR1 обеспечивает перестройку схемы обратной связи.

Для пояснения работы аппарата предположим, что при подключении рабочей колебательной системы, используемой для осуществления определенного технологического процесса, не обеспечивается режим самовозбуждения УЗ аппарата из-за отсутствия баланса фаз и амплитуд. В предложенном УЗ аппарате фазовые соотношения между напряжением в точке между конденсатором C4, и дросселем L и выходным током усилителя приводят к изменению формы напряжения обратной связи на входе усилителя за счет наличия конечного выходного сопротивления усилителя. В этом случае небаланс фаз и амплитуд приводит к тому, что нагрузка усилителя может носить индуктивный характер и тогда сигнал обратной связи на входе усилителя начинает опережать по фазе выходной сигнал, или может носить емкостной характер и тогда, выходной сигнал опережает сигнал обратной связи.

В обоих случаях изменение сопротивления R1 обеспечивает изменение индуктивности первичной обмотки трансформатора TR1 и перестройку параметров схемы обратной связи. Перестройка обратной связи приводит к изменению фазовых соотношений на входе и выходе усилителя и при определенной величине сопротивления R1 обеспечивается условие самовозбуждения. При этом происходит изменение частоты генерации до величины, равной частоте механического резонанса рабочей колебательной системы, и УЗ генератор работает в режиме самовозбуждения.

Таким образом, за счет изменения сопротивления R1 частотно зависимая обратная связь обеспечивает перестройку частоты генерации до частоты механического резонанса и в начальный момент обеспечивает работу с любой из необходимых рабочих колебательных систем.

При этом на выходе усилителя можно установить определенный сдвиг фаз, обеспечив режим самовозбуждения на частоте, близкой к частоте механического резонанса. Поэтому, обеспечив работу аппарата на частоте, близкой к резонансной, можно снизить интенсивность УЗ колебаний, возбуждаемых в обрабатываемой среде или объекте, т.е. установить оптимальный режим ведения процесса. Такое же изменение, можно осуществлять в процессе эксплуатации аппарата, оперативно изменяя режимы УЗ воздействия.

При настройке аппарата для работы в режиме самовозбуждения с выбранной рабочей колебательной системой или необходимыми рабочими инструментами обеспечивается проведение определенного технологического процесса. В ходе проведения этого процесса может происходить изменение параметров колебательной системы (за счет нагревания пьезоэлементов и материала накладок, изменений условий ввода колебаний и т.п.). В этом случае, изменение частоты механического резонанса рабочей колебательной системы, происходящее в небольших пределах, приводит также к изменению характера нагрузки (т.е. нагрузка, приведенная ко входу генератора, начинает носить индуктивный или емкостной характер) и в небольших пределах к изменению фазовых соотношений между током и напряжением на выходе усилителя. В обоих случаях для сохранения условий самовозбуждения, т.е. сохранения на выходе усилителя первоначально установленного сдвига фаз, автоматически осуществляется изменение частоты генерации в небольших пределах до величины, равной резонансной частоте колебательной системы, и условие самовозбуждения постоянно выполняется.

Таким образом, рассмотренный УЗ генератор позволяет осуществлять технологические процессы с помощью различных рабочих колебательных систем или одной колебательной системы с различными рабочими инструментами, регулировать выходные параметры аппарата, в частности интенсивность УЗ колебаний, в ходе настройки и эксплуатации аппарата, а также обеспечивает сохранение условий первоначально установленного режима самовозбуждения в процессе эксплуатации при изменении параметров колебательной системы и условий воздействия УЗ колебаний на объекты, среды и материалы. Принципиальная схема генератора содержит также реле времени, выполненное на элементе DD1 и обеспечивающее включение технологического аппарата на время проведения технологического процесса. На транзисторе VT1 выполнена схема стабилизации амплитуды колебаний генератора.

Перечисленные достоинства делают рассмотренные генераторы пригодными для комплектации многофункциональных УЗ аппаратов мощностью от 40 до 160 Вт.

Основное достоинство генераторов с самовозбуждением - простота конструкции и удобство эксплуатации. Однако, изготовление таких генераторов требует очень точной предварительной балансировки схемы согласования генератора с колебательной системой и схемы выделения сигнала обратной связи. Кроме того, генераторы с самовозбуждением, не обеспечивают автоматическое изменение параметров генератора (рабочей частоты) в очень широких пределах, например, при изменении параметров акустической нагрузки от газовой среды до твердого тела. Для решения подобных задач используются генераторы с независимым возбуждением, выполненные по схемам с автоподстройкой частоты.

2.2.4 Генераторы с автоподстройкой частоты

По своему схемному решению генераторы с независимым возбуждением, выполненные с автоматической подстройкой частоты близки к генераторам с самовозбуждением.

Предварительный усилитель, выходные каскады усилителя мощности и схема согласования генератора с колебательной системой выполнены без изменений.

Отличие таких генераторов заключается в наличии задающего генератора, выполненного на элементах D.D.1 по схеме перестраиваемого мультивибратора. Рабочая частота задающего генератора изменяется за счет внешнего управляющего напряжения.

Управляющее напряжение вырабатывается устройством обратной связи, выполненном на трансформаторе Т3 и элементах VD13, VD14, R11, R12, C6.

Схема автоматической подстройки частоты обеспечивает контроль параметров акустической мощности, отдаваемой в нагрузку и выработку электрического сигнала, пропорционального изменению этой акустической мощности. Выработанный обратной связью электрический сигнал обеспечивает быстрое изменение параметров задающего генератора.

Выполненная таким образом обратная связь обеспечивает постоянство акустической мощности излучаемой энергии (рис. 25).

Для контроля параметров акустической мощности, отдаваемой в нагрузку используются три вида устройств, формирующих сигнал обратной связи.

1. Устройства, позволяющие получать сигнал обратной связи путем контроля параметров электрической цепи, соединяющей генератор с колебательной системой.

2. Устройства, регистрирующие механические колебания ультразвуковой колебательной системы.

3. Устройства, регистрирующие ультразвуковые колебания в обрабатываемых средах.

Устройство третьего типа не пригодно для использования в многофункциональных УЗ аппаратах из-за многообразия используемых рабочих объемов и необходимости выполнения различных технологических операций.

Устройство второго типа требует применения специальных преобразователей, соединения их с рабочей колебательной системой. Это усложняет конструкции колебательных систем и на практике используется крайне редко.

Поэтому, наиболее широкое распространения получили устройства третьего типа, в которых в качестве сигнала обратной связи используется составляющая тока скомпенсированного преобразователя, соответствующая, при определенных условиях, значению тока в механической ветви преобразователя.

Для получения сигнала обратной связи цепь согласования генератора и колебательной системы дополнена трансформатором Т3. Индуктивность компенсирующего L1, при оптимальной компенсации собственной емкости колебательной системы, обеспечивает равенство тока в первичной обмотке трансформатора Т3, току в механической ветви преобразователя.

Рис. 25 - Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением и автоподстройкой частоты

Сигнал обратной связи подается на задающий генератор и обеспечивает его перестройку в соответствии с изменениями параметров колебательной системы и акустических свойств обрабатываемой среды.

Кроме перестройки рабочей частоты задающего генератора сигнал обратной связи используется для стабилизации амплитуды колебательной системы. Для этого сигнал обратной связи подается на предварительный усилитель и изменяет параметры усиления.

Для включения генератора не заданный промежуток времени используется таймер на элементах D.D1.3. и D.D.3.

Рассмотренный генератор с независимым возбуждением, выполненный по схеме с автоматической подстройкой частоты обеспечивает отслеживание всех возможных изменений собственной резонансной частоты колебательной системы и параметров обрабатываемых сред, стабилизацию амплитуды колебаний рабочего инструмента.

Достоинства такого генератора позволили использовать их в многофункциональных УЗ аппаратах мощностью 160 и 400.

Однако, при изготовлении ультразвуковых аппаратов, предназначенных для длительной эксплуатации а производственных условиях используют более сложные схемы генераторов с независимым возбуждением и автоматической подстройкой частоты. Одна из таких схем представлена на рис. (задающий генератор, схемы управления и предварительный усилитель) и рис. (источники питания, усилитель мощности и схемы формирования сигнала обратной связи и защиты генератора).

Отличительной особенностью показанного на рис. 26 генератора является выполнение задающего генератора на специализированной микросхеме D.D.1 управляемого генератора (типа 561ГГ1). Предусмотренная в генераторе регулировка выходной мощности осуществляется с использованием схемы широтно - импульсной модуляции, обеспечивающей формирование изменяющихся по длительности прямоугольных импульсов и подачу их на предварительный усилитель, выполненный на транзисторах VT8 - VT11. В выходном каскаде - усилителе мощности предусмотрено измерение токов, протекающих через выходные транзисторы. При превышении тока, протекающего через транзисторы, определенной величины, установленной резистором R9, вырабатывается сигнал защиты, выключающий генерацию в задающем генераторе и исключающий протекание через транзисторы выходного каскада недопустимых по величине токов. Передача сигнала защиты от выходного каскада к задающему генератору осуществляется через оптрон VU1.

Рис. 26 - Принципиальная схема предварительных каскадов генератора повышенной мощности

Сигнал обратной связи формируется с помощью дифференциального трансформатора TR4. Получаемый на выходной обмотке этого трансформатора сигнал пропорционален току механической ветви ультразвуковой колебательной системы и обеспечивает перестройку задающего генератора в соответствии с изменениями параметров колебательной системы и акустических параметров обрабатываемых сред.

Для обеспечения согласования генератора с различными колебательными системами используются перестраиваемые выходной трансформатор TR3 и компенсирующий дроссель L4.

2.3 Конструкции многофункциональных аппаратов

Проведенный анализ возможных областей применения, выработка общих требований к аппаратам, а также разработанные малогабаритные, высокоэффективные ультразвуковые колебательные системы и созданные для их питания генераторы, позволили разработать многофункциональные ультразвуковые аппараты технологического назначения.

2.3.1 Многофункциональный аппарат для индивидульного потребителя

Показанный на фото многофункциональный аппарат мощностью 25 Вт создан специально для использования индивидуальным потребителем.

Аппарат конструктивно выполнен в виде двух отдельных блоков: генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты и ультразвуковой колебательной системы, соединенных электрическим кабелем.

Корпус генераторного блока выполнен из пластмассы и имеет форму параллепипеда. На передней панели корпуса размещены индикатор питания и ручка регулировочного резистора, обеспечивающего настройку аппарата. На задней панели корпуса укреплена сетевая вилка для подключения к стандартной розетке сети переменного тока 220 В, 50 Гц. На боковой поверхности корпуса размещен выключатель питания.

В аппарате для индивидуального потребителя отсутствует таймер и не предусмотрена система автоматического регулирования. Поэтому, настройка на оптимальный режим УЗ воздействия обеспечивается вручную и аппарат не выключается автоматически после завершения проводимых процессов.

Ультразвуковая колебательная система выполнена на основе пьезокерамических элементов диаметром 30 мм и толщиной 4 мм из пьезоматериала ЦТС - 24.

Технические характеристики

Мощность, потребляемая от сети,Вт	25 ± 2,5
Напряжение питания, В	220 ± 22
Частота питающей сети, Гц	50
Рабочая частота аппарата, кГц	22 ± 1,65
Объем обрабатываемой жидкости, л	0,05....0,2
Амплитуда колебаний, мкм не менее	30
Время непрерывной работы, мин не более	20
Габаритные размеры: генератора, мм не более	110х95х55
колебательной системы, мм не более	160х50
Вес аппарата, кг не более	0.5

2.3.2 Многофункциональный аппарат мощностью 40 вт (миксер "алёна")

Для индивидуального потребителя, использующего многофункциональный аппарат в домашнем хозяйстве для приготовления различных препаратов и обработки жидких сред в объемах от 0,1 до 0,3 л, снятия накипи, обработки семян перед посадкой, выполнения отверстий, мойки ювелирных изделий и выполнения множества других операций используется многофункциональный ультразвуковой аппарат мощностью 40 Вт.

Функционально аппарат состоит из двух блоков - электронного и колебательной системы. Электронный блок многофункционального аппарата содержит генератор электрических колебаний, выполненный по схеме с независимым возбуждением (рис.) и электронный таймер, обеспечивающий включение генератора на время, необходимое для проведения процессов.

Корпус электронного блока имеет форму параллепипеда со скругленными углами. Панель управления электронного блока имеет скругленные края и на ней размещены: клавиша "СЕТЬ" включения сетевого питания, индикатор включения сетевого питания, ручка регулятора "НАСТРОЙКА", светодиодный индикатор настройки, ручка регулятора времени работы аппарата "ВРЕМЯ", кнопка включения аппарата "ПУСК". На задней панели электронного блока размещен выходной электрический разъем для подключения колебательной системы.

Электронный фитомиксер снабжен шнуром со стандартной сетевой вилкой для подключения к сети переменного тока напряжением 220 В. Аппарат не требует заземления и может использоваться в различных помещениях, в том числе и в домашних условиях при соблюдении правил техники безопасности.

Колебательная система размещена в пластмассовом корпусе и имеет узел крепления на стандартные объемы (стаканы, банки и т.п.).

Технические характеристики

Мощность, потребляемая от сети, Вт	40 ± 4
Напряжение питания, В	220 ± 22
Частота питающей сети, Гц	50
Рабочая частота аппарата, кГц	22 ± 1,65
Объем обрабатываемой жидкости, л	0,1....0,3
Амплитуда колебаний, мкм не менее	50
Время непрерывной работы, мин не более	40
Габаритные размеры:
генератора, мм не более	160х100х95
колебательной системы, мм не более	160х90
Вес аппарата, кг не более	3

2.3.3 Многофункциональный ультразвуковой аппарат мощностью 160 вт. (электронный фитомиксер "алёна")

Для обеспечения потребностей малых предприятий, мелкосерийного аптечного производства, лабораторных исследований, а также для индивидуальных потребителей в домашнем и сельском хозяйстве наиболее эффективно использование многофункционального ультразвукового аппарата мощностью 160 Вт (потребительское название - электронный фитомиксер "АЛЁНА").

Конструктивно электронный фитомиксер выполнен в виде двух отдельных блоков: электронного и миксера, электрически соединенных между собой кабелем.

Электронный блок фитомиксера представляет собой генератор высокочастотных колебаний (22 кГц), предназначенных для преобразования в упругие механические колебания. В состав электронного блока входит также электронный таймер, обеспечивающий включение аппарата на задаваемый потребителем промежуток времени.

Корпус электронного блока имеет форму параллепипеда со скругленными углами. Внутри корпуса размещены платы с радиодеталями. Панель управления электронного блока имеет скругленные края и на ней размещены: клавиша "СЕТЬ" включения сетевого питания, индикатор включения сетевого питания, ручка регулятора "НАСТРОЙКА", индикатор настройки, ручка регулятора времени работы аппарата "ВРЕМЯ", клавиша включения аппарата "СТОП/ПУСК", выходной электрический разъем для подключения миксера.

Электронный фитомиксер снабжен шнуром со стандартной сетевой вилкой для подключения к сети переменного тока напряжением 220 В. Аппарат не требует заземления и может использоваться в различных помещениях, в том числе и в домашних условиях при соблюдении указанных далее правил техники безопасности.

Миксер предназначен для осуществления ультразвукового воздействия на обрабатываемые материалы и включает в себя: цилиндрический объем - стакан, держатель на котором размещена ультразвуковая колебательная система, обеспечивающая преобразование электрических высокочастотных колебаний, поступающих от электронного блока, в упругие механические. Ультразвуковая колебательная система обеспечивает также усиление механических колебаний и их введение в обрабатываемые среды. Активные пьезокерамические элементы колебательной системы защищена корпусом. Ультразвуковая колебательная система состоит из преобразователя, совмещенного с усилителем-концентратором механических колебаний, и заканчивается рабочим инструментом.

Для вертикального перемещения преобразователя в стакане миксера предусмотрена регулировочная гайка. На цилиндрической поверхности стакана, выполненного из прозрачного полимерного материала, нанесены метки, показывающие объем находящейся в стакане жидкости. На внутренней поверхности держателя выполнена кольцевая опора, позволяющая устанавливать ультразвуковую колебательную систему на стандартные стеклянные банки емкостью от 0,2 до 3 л. для обработки как меньших, так и больших объемов веществ, чем это предусматривает входящий в комплект фитомиксера стакан.

Технические характеристики

Напряжение питания, В	220 ± 22
Частота возбуждаемых механических колебаний, кГц	22 ± 1,65
Потребляемая мощность, вт не более	160
Объем обрабатываемой жидкости, л	0, 3... 1,0
Амплитуда колебаний, мкм не менее	30
Время работы, устанавливаемое таймером, мин	0... 1 0
Время непрерывной работы, мин не более	30
с последующим перерывом, мин не менее	15
Класс электробезопасности 2, тип	В
Масса аппарата (в упаковке), кг не более	3,5
Габаритные размеры электронного блока, мм	180х115х95
Габаритные размеры миксера, мм	170х105

В основу работы аппарата положен принцип электронного преобразования энергии питающей сети в механические упругие колебания с помощью пьезоэлектрического эффекта. В течении определенного интервала времени, задаваемого с помощью таймера, генератор вырабатывает электрические колебания высокой частоты. Эти электрические колебания от генератора передаются в миксер и поступают на электрические контакты пьезокерамических элементов.

Пьезокерамические элементы за счет пьезоэффекта начинают расширяться и сжиматься в такт с частотой подаваемого от генератора электрического сигнала. Окружающие с двух сторон пьезокерамические элементы металлические резонаторы позволяют выделить и усилить механические колебания заданной частоты (22 кГц). Резонатор, расположенный со стороны рабочей поверхности выполнен в виде цилиндрического стержня переменного сечения что обеспечивает увеличение амплитуды механических колебаний, передаваемых на рабочий инструмент. Рабочий инструмент для обработки жидких сред выполнен сменным и представляет собой металлический диск диаметром 20 мм, находящийся при работе фитомиксера в непосредственном контакте с обрабатываемыми средами. Выполнение концентратора и рабочего инструмента из специальной антикоррозионной стали позволяет обрабатывать практически любые материалы, за исключением кислот и щелочей.

При обработке твердых материалов используются сменные рабочие инструменты, показанные на рис.

Генератор такого многофункционального аппарата выполнен по схеме с независимым возбуждением и автоматической подстройкой рабочей частоты, показанной на рис.

При технологическом применении многофункционального аппарата необходимо соблюдать следующие основные правила.

Залейте в стакан миксера необходимый объем жидкости, ориентируясь по меткам на боковой поверхности стакана и засыпьте необходимое количество твердого вещества. Количества обрабатываемых материалов выбирается по изложенным далее методикам.

Установите держатель с ультразвуковой колебательной системой в стакан миксера так, что бы рабочий инструмент был погружен в жидкость не глубину не менее 20...50 мм.

Наиболее оптимальным будет такое погружение рабочего инструмента в жидкость при котором расстояние от рабочего инструмента до дна стакана составляет 50...70 мм. Необходимая глубина погружения рабочего инструмента устанавливается вращением регулировочной гайки. Подключите миксер к электронному блоку с помощью соединительного кабеля, а электронный блок к сети переменного тока с помощью сетевого шнура. Включите электронный фитомиксер клавишей "СЕТЬ" на передней панели электронного блока. При этом должен загораться расположенный над клавишей индикатор. Вращением ручки регулировки "ВРЕМЯ" установите необходимый временной интервал работы фитомиксера в пределах от 0 до 10 минут.

Клавишу "ПУСК/СТОП" установите в верхнее положение и зафиксируйте ее на 1...2 сек., а затем отпустите. При этом произойдет включение аппарата, загорится индикатор, расположенный над ручкой регулятора "НАСТРОЙКА" и появится характерный шум от кавитационного процесса в стакане миксера. Плавно вращая ручку регулятора "НАСТРОЙКА" по часовой стрелке и наблюдая за свечением индикатора добейтесь устойчивой работы фитомиксера с максимальной эффективностью. Этот момент характеризуется максимальным свечением индикатора настройки, максимальным кавитационным шумом.

По истечении времени, заданного с помощью таймера, аппарат автоматически выключится. Полученные вещества слейте из стакана миксера для дальнейшего использования. Обработку больших объемов жидкостей в стандартных или нестандартных емкостях, а также обработку больших количеств твердых веществ в малом количестве жидкости следует осуществлять при интенсивном перемешивании. Это необходимо потому, что ультразвуковое поле не является однородным и сильно ослабляется в жидкодисперсных составах. В связи с этим различные участки обрабатываемого объекта одновременно получают различные дозы ультразвуковой энергии.

2.3.4 Многофункциональный аппарат мощностью 400 вт ("сонатор - 22/04 - 01")

Для удовлетворения потребностей малых и средних высокотехнологичных производств, сельского хозяйства, химической, фармацевтической и ювелирной промышленности, т.е. при эксплуатации в условиях, где необходимо обрабатывать большое количество жидкостей в объемах до 3 л и решать множество производственных задач по выполнению отверстий в хрупких материалах, получению эмульсий, сварке полимерных пленок, линолеума и т.п. используется многофункциональный аппарат мощностью 400 Вт (Сонатор 22/04 - 01).

Аппарат ультразвуковой многофункциональный состоит из электронного блока и соединяемых с ним кабелем одной из четырех УЗ колебательных систем различного функционального назначения.

В каждой ультразвуковой колебательной системе предусмотрено резьбовое крепление сменных рабочих органов, предназначенных для реализации различных технологических операций.

Один из преобразователей предназначен для обработки твердых материалов различными рабочими инструментами, сверление, гравировка, полосовая сварка, точечная сварка.

Второй из преобразователей предназначен для обработки в стандартных емкостях жидкостей и различных твердых материалов в этих жидкостях с использованием двух рабочих инструментов - введение колебаний без фокусировки и с фокусировкой УЗ колебаний.

Третий из преобразователей предназначен для обработки жидких сред с введением через центральный канал колебательной системы других жидкостей или газов с использованием двух рабочих инструментов - инструмента с внутренним осевым каналом и инструмента для фокусировки колебаний в зону обработки (с осевым каналом).

В комплект аппарата входит также ультразвуковая колебательная система с виде полуволнового преобразователя и рабочего инструмента в виде цилиндрической ванны.

Корпус электронного блока имеет форму несимметричного параллелепипеда со скошенными сторонами и скругленными углами. Панель управления отформована таким образом, что ее верхняя (2/3 ширины) и нижняя (1/3 ширины) части расположены в различных плоскостях. На передней панели размещены ручки органов управления "НАСТРОЙКА", "КАЛИБРОВКА", "МОЩНОСТЬ". В верхней части панели управления выполнены также одно прямоугольное и два квадратных окна, в которых расположены светодиодные индикаторы "МОЩНОСТЬ", "НАСТРОЙКА", "ПЕРЕГРУЗКА". В нижней части панели управления расположена клавиша выключателя питания.

Генератор многофункционального УЗ аппарата мощностью 400 Вт выполнен по схеме с независимым возбуждением и автоматической подстройкой частоты, показанной на рис.

Технические характеристики

Мощность, потребляемая от сети, Вт	400
Напряжение однофазной питающей сети, В	220+-20
Пределы плавной регулировки выходной мощности, Вт	100-400
Рабочая частота, кГц	22 ± 1,6
Условия эксплуатации:
- температура окружающего воздуха, град. С	10-40
- относительная влажность, %, не более	80
Габаритные размеры электронного блока, мм, не более	260х220х110
Вес, кг, не более	7
Принцип преобразования электрических колебаний в механические	пьезоэффект
Частота колебательных систем, кГц	22 ± 1,6
Система охлаждения преобразователей	воздушная, не принудительная
Количество преобразователей в комплекте, шт.	4
Габаритные размеры без учета рабочих инструментов, мм, не более	70х130
Вес, кг, не более	0.3
Количество сменных рабочих инструментов, шт.	12
Амплитуда на торце рабочего инструмента при максимальной мощности, мм, не менее	50

Глава 3. Алгоритм обработки изображений при УЗ-диагностике

3.1 Общая характеристика

3.1.1 История

Попытки использования ультразвука в целях медицинской диагностики привели к появлению в 1937 году одномерной эхоэнцефалографии. Однако, лишь в начале пятидесятых годов удалось получить ультразвуковое изображение внутренних органов и тканей человека. С этого момента ультразвуковая диагностика стала широко применяться в лучевой диагностике многих заболеваний и повреждений внутренних органов.

Ультразвуковые методы исследования занимают одно из ведущих мест в современной клинической медицине. Этому способствует ряд факторов и, прежде всего достоверность получаемых результатов, доступность и относительная простота процедуры. В начале 80-х годов в нашей стране появились первые медицинские аппараты УЗИ-диагностики, позволяющие не только получать снимки на специальной фотобумаге, но также и создавать базу данных снимков. К недостаткам таких машин можно отнести то, что врач мог лишь вызвать картинку на экран монитора, но не имел возможности работать с ней (увеличивать области, выделять зоны, измерять дистанцию, описывать снимок на компьютере и хранить это описание в базе данных). Лишь несколько лет назад благодаря техническому прогрессу такие системы получили дальнейшее развитие. Появились новые мощные платформы, мониторы с высокими разрешениями и минимальной кривизной поверхности экрана, стали стандартом сети с высокой пропускной способностью.

Современные успехи клинической диагностики во многом определяются совершенствованием методов исследования. Значительный скачек в этом вопросе был достигнут благодаря разработке и внедрению в практику принципиально новых способов получения медицинского изображения, в том числе ультразвукового метода. Чрезвычайно ценным является способность эхографии визуализировать внутреннюю структуру паренхиматозных органов, что было недоступно традиционному рентгенологическому исследованию. Благодаря высокой информативности и достоверности ультразвукового метода диагностика многих заболеваний и повреждений поднялась на качественно новый уровень. В настоящее время, наряду с компьютерной томографией и другими современными методами, ультразвуковая диагностика используется повсеместно, являясь одним из ведущих диагностических методов во многих разделах клинической медицины.

В последние годы, в связи с очень широким распространением ультразвуковой аппаратуры, ее доступностью для любых даже очень небольших медицинских учреждений назревает потребность в специалистах, в совершенстве владеющих методикой и техникой ультразвукового исследования.

3.1.2 Биофизика ультразвука

С точки зрения физики ультразвука ткани человеческого тела близки по своим свойствам жидкой среде, поэтому давление на них ультразвуковой волны может быть описано как сила, действующая на жидкость.

Изменение давления в среде может происходить перпендикулярно в плоскости вибрации источника ультразвука. В этом случае волну называют продольной. В ультразвуковой диагностике основную информацию несут преимущественно продольные волны. В твердых телах, например, в костях или металлах, возникают поперечные волны.

Звуковые волны являются механическими по своей природе, так как в основе их лежит смещение частиц упругой среды от точки равновесия. Именно за счет упругости и происходит передача звуковой энергии через ткань. Упругость - это возможность объекта после сжатия или растяжения вновь приобретать свой размер и форму. Скорость распространения ультразвука зависит, прежде всего, от упругости и от плотности ткани. Чем больше плотность материала, тем медленнее должны распространяться в нем (при одинаковой упругости) ультразвуковые волны. Но к этому физическому параметру следует подходить с осторожностью. Скорость звука при прохождении его через разные среды биологического организма может быть различной, в таблице представлены скорости распространения ультразвука в различных средах.

Материал	Скорость звука (м*с-1)
Мягкие ткани (в среднем)	1540
Головной мозг	1541
Жир	1450
Печень	1549
Почка	1561
Мышцы	1585
Кости черепа	4080

Для различных типов ультразвуковых исследований применяются разные виды ультразвуковых волн. Наиболее важными параметрами являются частота излучения, диаметр поверхности трандюсера и фокусировка ультразвукового пучка. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используются частоты 1; 1,6; 2,25; 3,5; 5 и 10 МГц.

В аппаратах имеется возможность регулировать излучаемый и принимаемые сигналы, так же имеется возможность усиления изображения эхосигналов.

3.1.3 Лучевая безопасность ультразвукового исследования

Ультразвук широко используется в медицине, хотя в отличие от технической сферы, где применяется низкочастотный ультразвук, для которого имеются нормы излучения, в медицине все обстоит гораздо сложнее. С одной стороны, отсутствует возможность провести прямую дозиметрию излучения в рабочем пучке, особенно на глубине; с другой же, - очень трудно учесть рассеяние, поглощение и ослабление ультразвука биологическими тканями. Кроме того, при работе с аппаратами реального масштаба времени практически невозможно учесть и экспозицию, так как длительность озвучивания, а так же его направление и глубина варьируют в широких пределах.

Распространение ультразвука в биологических средах сопровождается механическим, термическим, и физико-химическими эффектами. В результате поглощения ультразвука тканями акустическая энергия превращается в тепловую. Другим видом механического действия является кавитация, которая приводит к разрывам в месте прохождения ультразвуковой волны.

Все эти явления происходят при воздействии на биологические ткани ультразвука высокой интенсивности, и в известных условиях они желательны, например, в физиотерапевтической практике. При диагностике эти эффекты не возникают в результате использования ультразвука небольшой интенсивности - не более 50 мВт*см^2. Конструктивно приборы для ультразвуковой медицинской диагностики надежно защищают пациента от возможного вредного воздействия звуковой энергии. Однако, в последнее время все чаще появляются работы о неблагоприятном воздействии ультразвукового исследования на пациента. В частности, это относится к ультразвуковому исследованию в акушерстве. Уже доказано, что ультразвук неблагоприятно воздействует на хромосомы, в частности может приводить к мутациям плода. В некоторых странах, например Япония ультразвуковое исследование беременным проводится только после серьезного обоснования необходимости данного исследования. Несомненно, воздействие ультразвука на самого врача, который длительное время находится под воздействием ультразвука. Имеются сообщения, что со временем поражается кисть руки, которой врач держит датчик.

3.1.4 Общая схема ультразвукового аппарата

Первичный пользователь, осуществляющий управление УЗИ, обеспечивает захват изображения с УЗИ и передачу его на персональный компьютер. Далее с персонального компьютера первичного пользователя осуществляется передача изображения по сети до конечного пользователя. Предусматривается также передача изображения в базу данных локальной сети первичного пользователя с последующей дальнейшей пересылкой в базу данных сети конечного пользователя, если осуществляется консультация специалистов в различных медицинских учреждениях. Или в общую базу данных локальной сети одного медицинского учреждения, в том случае, когда первичный и конечный пользователь работают в рамках одного медицинского учреждения.

3.2 Методы и алгоритмы обработки изображений

3.2.1 Принципы обработки

При цифровой обработке изображения обычно используется его представление в памяти в виде матрицы пикселов f(m1, m2), 0<m1<M1-1, 0<m2<M2-1. Обработка изображения в общем случае заключается в выполнении какого-либо преобразования указанной матрицы, в результате которого формируется набор ее числовых характеристик или новое, обработанное изображение - g(n1,n2), 0<n1<N1-1, 0<n2<N2-1. Преобразование может касаться значений элементов или их координат (индексов), выполняться над матрицей в целом, группой элементов или над каждым элементом в отдельности. Простейший вид цифровой обработки изображений заключается в выполнении одного и того же функционального преобразования для каждого элемента матрицы вне зависимости от его положения и значений других (соседних) элементов. Такая обработка получила название поэлементного преобразования изображений. Она переводит значение каждого элемента f в новое значение g в соответствии с заданной функциональной зависимостью

g = g(f) (1)

Размеры входного и выходного изображения здесь совпадают (M1 = N1, M2 = N2). При практической реализации поэлементных преобразований можно непосредственно вычислять каждое значение преобразованного элемента в соответствии с конкретным видом функции (1). Однако для достаточно сложных функций такое построение процедуры обработки оказывается неудобным из-за больших затрат машинного времени на вычисления. Скорость обработки возрастает при переходе к табличному заданию функции преобразования. Алгоритм работы с таблицей прост: по значению f вычисляется адрес (номер строки) таблицы с выходным значением g. Преимущества такого подхода: высокое быстродействие, гибкость процедуры обработки (таблица преобразования по сути является параметром процедуры и может легко меняться); недостаток: приближенность результатов из-за ограниченного числа строк таблицы. Несмотря на простоту, метод поэлементных преобразований позволяет решить довольно много прикладных задач улучшения качества и анализа изображений. Рассмотрим некоторые из них.

3.2.2 Линейное контрастирование

Изображения, вводимые в компьютер, часто являются малоконтрастными, то есть у них вариации функции яркости малы по сравнению с ее средним значением. Реальный динамический диапазон яркостей [fmin, fmax] для таких изображений оказывается намного меньше допустимого диапазона (шкалы яркости). Задача контрастирования заключается в "растягивании" реального динамического диапазона на всю шкалу. Контрастирование можно осуществить при помощи линейного поэлементного преобразования

g = af + b (2)

Параметры этого преобразования a, b нетрудно определить, исходя из требуемого изменения динамического диапазона. Если в результате обработки нужно получить шкалу [gmin, gmax], то

(3)

При диалоговой обработке изображений иногда проще не определять параметры преобразования (2), а непосредственно строить его в табличной форме, ориентируясь на границы распределения вероятностей функции яркости.

3.2.3 Пороговая обработка

Некоторые задачи обработки изображения связаны с преобразованием полутонового изображения (то есть такого, которое имеет много градаций яркости) в бинарное (двухградационное). Такое преобразование осуществляется в первую очередь для того, чтобы сократить информационную избыточность изображения, оставить в нем только ту информацию, которая нужна для решения конкретной задачи. В бинарном изображении должны быть сохранены интересующие нас детали (например, очертания изображенных объектов) и исключены несущественные особенности (фон). Пороговая обработка полутонового изображения заключается в разделении всех элементов изображения на два класса по признаку яркости, то есть в выполнении поэлементного преобразования вида

, (4)

где f0 - некоторое "пороговое" значение яркости. При выполнении пороговой обработки основной вопрос состоит в выборе порога f0. Пусть полутоновое изображение содержит интересующие нас объекты одной яркости на фоне другой яркости (типичные примеры: машинописный текст, чертежи, медицинские пробы под микроскопом). Тогда в идеале плотность распределения яркостей должна выглядеть как две дельта-функции. В данном случае задача установления порога тривиальна: в качестве f0 можно взять любое значение между "пиками". На практике встречаются определенные трудности, связанные с тем, что, во-первых, изображение искажено шумом и, во-вторых, как для объектов, так и для фона характерен некоторый разброс яркостей. В результате пики функции плотности распределения "расплываются", хотя обычно ее бимодальность сохраняется. В такой ситуации можно выбрать порог f0, соответствующий положению минимума между модами.