Ultraschallwandlertyp: Vergleich von magnetostriktiven und piezoelektrischen Wandlern
Um die für den Prozess erforderlichen Schallwellen zu erzeugen, gibt es zwei Arten von Wandlern: piezoelektrische und magnetostriktive. Obwohl ihre Funktionen ausreichen, um sich auf dem Markt zu behaupten, hat jeder Ultraschallwandlertyp seine eigenen Eigenschaften, die ihn für bestimmte Aufgaben besser geeignet machen. Um sie vergleichen zu können, ist es notwendig, ihre Funktionsweise und ihre jeweiligen Eigenschaften zu untersuchen.
1. Funktionsprinzip
Die piezoelektrische Technologie verwendet einen Kristall mit besonderen elektrischen Eigenschaften aus Bleizirkonattitanat. Im Wandler weist dieses Kristallmaterial zwei Drähte auf, die an gegenüberliegenden Flächen angebracht sind. Anschließend werden der Quarz und die Verkabelung im Gehäuse zwischen den beiden Metallplatten montiert. Wenn Strom durch die Verdrahtung fließt und in den Kristall eintritt, ändert der Kristall schnell seine Form und dehnt sich aus. Wenn der Strom beendet wird, kehrt der Kristall in seine ursprüngliche Form zurück. Der Ultraschallwandler, der diese Technologie verwendet, lässt den Strom mit einer festgelegten Frequenz schnell durch den Quarz zirkulieren und erzeugt dadurch einen Resonanzeffekt.
Das Funktionsprinzip eines magnetostriktiven Ultraschallwandlers besteht darin, dass sich eisenreiche Metalle ausdehnen und zusammenziehen, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Um dieses Verhalten auszunutzen, werden eisenreiche Metallkerne mit Kupferdrähten umwickelt. Die Komponente befindet sich dann in einem Tank. Wenn Strom durch den Kupferdraht fließt, dehnt sich der Metallkern aus und verlängert sich. Wie bei einem piezoelektrischen Wandler erzeugt ein Strom mit einer eingestellten Frequenz einen Resonanzeffekt.
2. Ein fester Weg
Ein Klebstoff wird verwendet, um den piezoelektrischen Ultraschallwandler mit dem Gehäuse des Ultraschallreinigers zu verbinden. Als die piezoelektrische Technologie erstmals eingeführt wurde, führte dies zu Problemen, da der Klebstoff schwächer wurde und schließlich versagte. Durch die Entwicklung von Ingenieurtechnik, die in der Flugzeugindustrie eingesetzt werden kann, besteht diese Einschränkung nicht mehr. Trotz wiederholter Anwendung lässt sich der Schallkopf mit modernen Klebstoffen immer noch nicht anbringen.
Das Gehäuse des magnetostriktiven Wandlers ist direkt mit dem Tank des Ultraschallreinigers verschweißt und sorgt so für eine feste, kaum brechbare Verbindung.
3. Ultraschallwandlerfrequenz
Der ideale Zustand der Ultraschallreinigung ist, mit einer Frequenz von 40kHz-70kHz zu arbeiten, aber der Prozess kann immer noch in einem weiten Bereich von 25kHz-170kHz durchgeführt werden.
Magnetostriktive Ultraschallwandler können nur bei Frequenzen bis 30kHz arbeiten, wodurch ihre Einsatzmöglichkeiten stark eingeschränkt sind. In diesem Fall eignet sich das Ultraschall-Reinigungssystem mit magnetostriktivem Wandler am besten für große Maschinen mit schwer zu entfernenden Verunreinigungen. Der Prozess darf auch keine gründliche Reinigung der Maschinen erfordern. Ein Beispiel für diese Anwendung kann in der Galvanik-Verarbeitungslinie verwendet werden.
Andererseits kann der piezoelektrische Ultraschallwandler im gesamten Bereich von 25kHz bis 170kHz arbeiten, was seinen Einsatz äußerst vielfältig macht.
4. Energieverbrauch
Magnetostriktive Ultraschallwandler müssen elektrische Energie in magnetische Energie umwandeln und daraus mechanische Energie erzeugen. Der gesamte Prozess erzeugt viel verschwendete Energie, die normalerweise in Form von Wärmeenergie verschwendet wird.
Der piezoelektrische Ultraschallwandler kann in einem Schritt Niederspannungsstrom in mechanische Energie umwandeln und ist damit hocheffizient. Daher kann der piezoelektrische Wandler mehr Arbeit leisten, während er die gleiche Menge an elektrischer Energie verbraucht.
5. Inhärenter Geräuschpegel des Ultraschallwandlers
Wenn harmonische Frequenzen erzeugt werden, werden normalerweise subharmonische Frequenzen als Naturprodukte erzeugt. Die Betriebsfrequenz der meisten piezoelektrischen Wandler beträgt 40 kHz oder höher, was bedeutet, dass die erste erzeugte Subharmonische 20 kHz beträgt, was außerhalb des normalen menschlichen Hörbereichs liegt.
Magnetostriktive Ultraschallwandler arbeiten normalerweise mit einer Frequenz von 30 kHz oder niedriger und erzeugen hörbare subharmonische Frequenzen. Diese Frequenzen klingen ähnlich wie das Brummen von Hochspannungs-Elektrik oder Transformatoren aus der Nähe. Wenn mehrere magnetostriktive Wandler im gleichen Ultraschall-Reinigungstank installiert sind, erfordert der Geräuschpegel die Verwendung von Hörgeräten.
6. Erwartete Lebensdauer des Ultraschallwandlers
Piezoelektrische Wandler verwenden zunächst Quarzkristalle, und mit der Zeit verlieren die Quarzkristalle schließlich an Festigkeit. Seitdem haben Ingenieure Halbleiterkeramiken entwickelt, die durch ein spezielles Verfahren vorgealtert werden können und so den Verschleiß nach der Montage der Komponenten reduzieren.
In Kombination mit neuen kristallinen Verbindungen ist ihre Lebensdauer so hoch wie die von magnetostriktiven Wandlern, und magnetostriktive Wandler haben seit jeher eine lange Lebensdauer.
