Лабораторная установка SonoStep сочетает в себе ультразвуковую обработку, перемешивание и подачу проб; при этом она имеет компактный дизайн. С ней легко работать, ее можно использовать для подачи обработанных ультразвуком проб на аналитические устройства, например, для измерения размеров частиц.

Ультразвуковая обработка помогает диспергировать агломерированные частицы для их подготовки и анализа дисперсности и эмульсий. Это важно при измерении размера частиц, например, с помощью динамического рассеяния света или дифракцией лазерного излучения.

Эффективно и просто

Рециркуляция стандартной пробы, ultrasonic generator – ультразвуковой генератор, stirrer - мешалка, ultrasonic transducer – ультразвуковой преобразователь, pump - насос, analytic device – аналитический прибор Рециркуляция пробы с помощью SonoStep, ultrasonic generator and transducer – ультразвуковой генератор и преобразователь, motor with pump head – двигатель с насосом, analytic device – аналитический прибор

Применение ультразвука для рециркуляции пробы требует наличия четырёх компонентов: сосуда для перемешивания, ультразвукового генератора и преобразователя (датчика) и насоса. Все эти компоненты соединены между собой шлангами или трубками. Типовая установка показана на схеме (стандартная рециркуляция).

Прибор SonoStep включает в себя источник ультразвука и центробежный насос, находящиеся в стакане, выполненном из нержавеющей стали (см. рис. «рециркуляция пробы с использованием Sonostep»).

Устройство SonoStep соединено с аналитическим прибором.

Последовательная ультразвуковая обработка для получения лучших результатов

Ультразвуковая обработка улучшает точность измерений размеров и морфологии частиц, поскольку SonoStep выполняет три важных функции:

• циркуляцию

Ультразвук удаляет воздух из жидкости и, тем самым, устраняет мешающее влияние пузырьков на проведение измерений. Он прокачивает объём пробы с регулируемым расходом и рассеивает частицы в жидкости. Мощность ультразвука прикладывается непосредственно под ротором насоса, она обеспечивает распыление агломерированных частиц перед их измерением. Это обеспечивает получение более полного и повторяемого результата.

ЭЛЕКТРОСПЕЦ

ЭЛЕКТРОСПЕЦ

Электрохимико-механические установки,ультразвуковые установки(УЗУ)

В основе данного способа обработки лежит механическое воздействие на материал. Ультразвуковым он называется потому, что частота ударов соответствует диапазону неслышимых звуков (f = 6...10 5 кГц).
Звуковые волны представляют собой механические упругие колебания, которые могут распространяться только в упругой среде.
При распространении звуковой волны в упругой среде материальные частицы совершают упругие колебания около своих положений со скоростью, которая называется колебательной.
Сгущение и разряжение среды в продольной волне характеризуется избыточным, так называемым звуковым давлением.
Скорость распространения звуковой волны зависит от плотности среды, в которой она движется.
Чем жестче и легче материал среды, тем больше скорость. При распространении в материальной среде звуковая волна переносит энергию, которая может использоваться в технологических процессах.
Достоинства ультразвуковой обработки:

Возможность получения акустической энергии различными техническими приемами;
- широкий диапазон применения ультразвука (от размерной обработки до сварки, пайки и так далее);
- простота автоматизации и эксплуатации

Недостатки:

Повышенная стоимость акустической энергии по сравнению с другими видами энергии;
- необходимость изготовления генераторов ультразвуковых колебаний;
- необходимость изготовления специальных инструментов со специальными свойствами и формой.

Ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть использованы как базовые для разработки различных процессов:
- кавитация, т.е. образование в жидкости пузырьков (во время фазы растяжения) и лопание их (во время фазы сжатия); при этом возникают большие местные мгновенные давления, достигающие значений 10 2 Н/м 2 ;
- поглощение ультразвуковых колебаний веществом, в котором часть энергии превращается в тепловую, а часть расходуется на изменение структуры вещества.
Эти эффекты используются для:
- разделения молекул и частиц различной массы в неоднородных суспензиях;
- коагуляции (укрупнения) частиц;
- диспергирования (дробления) вещества и перемешивания его с другими;
- дегазации жидкостей или расплавов зв счет образования всплывающих пузырьков больших размеров.
Элементы УЗУ
Любая УЗУ включает в себя три основных элемента:
- источник ультразвуковых колебаний;
- акустический трансформатор скорости (концентратор);
- детали крепления.
Источники ультразвуковых колебаний могут быть двух видов - механические и электрические.
Механические источники преобразуют механическую энергию, например, скорость движения жидкости или газа.
К ним относятся ультразвуковые сирены и свистки.Электрические источники УЗК преобразуют электрическую энергию в механические упругие колебания соответствующей частоты. Преобразователи бывают электродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические.
Наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.
Принцип действия магнитострикционных преобразователей основан на продольном магнитострикционном эффекте, который проявляется в изменении длины металлического тела из ферромагнитных материалов (без изменения их объема) под действием магнитного поля.
Магнитострикционный эффект у разных металлов различен. Высокой магнитострикцией обладают никель и пермендюр.
Пакет магнитострикционного преобразователя представляет собой сердечник из тонких пластин, на котором размещена обмотка для возбуждения в нем переменного электромагнитного поля высокой частоты.
При магнитострикционном эффекте знак деформации сердечника не изменяется при изменении направления поля на обратное. Частота изменения деформации в 2 раза больше частоты (f) изменения переменного тока, проходящего по обмотке преобразователя, так как в положительный и отрицательный полупериоды происходит деформация одного знака.
Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на способности некоторых веществ изменять свои геометрические размеры (толщину и объем) в электрическом поле. Пьезоэлектрический эффект обратим. Если пластину из пьезоматериала подвергнуть деформации сжатия или растяжения, то на ее гранях появятся электрические заряды. Если пьезоэле-мент поместить в переменное электрическое поле, то он будет деформироваться, возбуждая в окружающей среде ультразвуковые колебания. Колеблющаяся пластинка из пьезоэлектрического материала является электромеханическим преобразователем.
Широкое распространение получили пьезоэлементы на основе титана бария, цирконата-титана свинца (ЦТС).
Акустические трансформаторы скорости (концентраторы продольных упругих колебаний) могут иметь различную форму (рис. 1.4-10) .

Они служат для согласования параметров преобразователя с нагрузкой, для крепления колебательной системы и ввода ультразвуковых колебаний в зону обрабатываемого материала.
Эти устройства представляют собой стержни различного сечения, выполненные из материалов с коррозионной и кавитационной стойкостью, жаростойкостью, стойкостью к агрессивным средам и на истирание.
Концентраторы характеризует коэффициент концентрации колебаний (К кк):

Увеличение амплитуды колебаний торца с малым сечением по сравнению с амплитудой колебаний торца большего сечения объясняется тем, что при одинаковой мощности колебаний во всех сечениях трансформатора скорости интенсивность колебаний малого торца в «K кк » раз больше.

Технологическое использование УЗК

В промышленности ультразвук используется по трем основным направлениям: силовое воздействие на материал, интенсификация и ультразвуковой контроль процессов.
Силовое воздействие на материал применяется для механической обработки твердых и сверхтвердых сплавов, получения стойких эмульсий и т.п.
Наиболее часто применяются две разновидности ультразвуковой обработки на характерных частотах 16.. .30 кГц:
- размерную обработку на станках с применением инструментов,
- очистку в ваннах с жидкой средой.
Основным рабочим механизмом ультразвукового станка является акустический узел
( рис. 1.4-11). Он предназначен для приведения рабочего инструмента в колебательное движение.

Акустический узел получает питание от генератора электрических колебаний (обычно ламповый), к которому подключается обмотка (2)
Главным элементом акустического узла является магнитострикционный (или пьезоэлектрический) преобразователь энергии электрических колебаний в энергию механических упругих колебаний - вибратор (1).
Колебания вибратора, который попеременно удлиняется и укорачивается с ультразвуковой частотой в направлении магнитного поля обмотки, усиливаются концентратором (4), присоединенным к торцу вибратора.
К концентратору крепится стальной инструмент (5) так, чтобы между его торцом и обрабатываемой деталью (6) оставался зазор.
Вибратор помещается в эбонитовый кожух (3), куда подается проточная охлаждающая вода.
Инструмент должен иметь форму заданного сечения отверстия. В пространство между торцом инструмента и обрабатываемой поверхностью детали из сопла (7) подается жидкость с мельчайшими зернами абразивного порошка.
От колеблющегося торца инструмента зерна абразива приобретают большую скорость, ударяются о поверхность детали и выбивают из нее мельчайшую стружку.
Хотя производительность каждого удара ничтожно маяа, производительность установки относительно высока, что обусловлено высокой частотой колебаний инструмента (16...30 кГц) и большим количеством зерен абразива (20... 100 тыс/см3), движущихся одновременно с большим ускорением.
По мере снятия слоев материала производится автоматическая подача инструмента.
Абразивная жидкость подается в зону обработки под давлением и вымывает отходы обработки.
С помощью ультразвуковой технологии можно выполнять такие операции, как прошивка, долбление, сверление, резание, шлифование н другие.
Примером могут быть выпускаемые промышленностью ультразвуковые станки прошивочные (модели 4770,4773А) и универсальные (модели 100А).
Ультразвуковые ванны (рис. 1.4-12) применяются для очистки поверхностей металлических деталей от продуктов коррозии, пленок окислов, минеральных масел и т.п.

Работа ультразвуковой ванны основана на использовании эффекта местных гидравлических ударов, возникающих в жидкости под действием ультразвука.
Принцип действия такой ванны состоит в следующем. Обрабатываемая деталь (1) погружается (подвешивается) в бачок (4), заполненный жидкой моющей средой (2).
Излучателем ультразвуковых колебаний является диафрагма (5), соединенная с магнитострикцноииым вибратором (б) с помошью клеяшего состава (8).
Ванна установлена на подставке (7). Волны ультразвуковых колебаний (3) распространяются в рабочей зоне, где производится обработка.
Наиболее эффективна ультразвуковая очистка при удалении загрязнений из труднодоступных полостей, углублений и каналов небольших размеров.
Кроме того, этим методом удается получить стойкие эмульсии таких несмешивающихся обычными способами жидкостей как вода и масло, ртуть и вода, бензол, вода и другие.
Аппаратура УЗУ сравнительно дорога, поэтому экономически целесообразно применять ультразвуковую очистку небольших по размеру деталей только в условиях массового производства.
Интенсификация технологических процессов .
Ультразвуковые колебания существенно изменяют ход некоторых химических процессов.
Например, полимеризация при определенной силе звука идет более интенсивно. При снижении силы звука возможен обратный процесс - деполимеризация.
Поэтому это свойство используется для управления реакцией полимеризации. Изменяя частоту и интенсивность ультразвуковых колебаний, можно обеспечить требуемую скорость реакции.
В металлургии введение упругих колебаний ультразвуковой частоты в расплавы приводит к существенному измельчению кристаллов и ускорению образования наростов в процессе кристаллизации, уменьшению пористости, повышению механических свойств звтвердевших расплавов и снижению содержания газов в металлах.
Ряд металлов (например, свинец и алюминий) не смешиваются в жидком виде. Наложение же на расплав ультразвуковых колебаний способствует «растворению» одного металла в другом. Ультразвуковой контроль процессов.
С помощью ультразвуковых колебаний можно непрерывно контролировать ход технологического процесса без проведения лабораторных анализов проб.
Для этой цели первоначально устанавливается зависимость параметров звуковой волны от физических свойств среды, а затем по изменению этих параметров после действия на среду с достаточной точностью судят о ее состоянии. Как правило, применяются ультразвуковые колебания небольшой интенсивности.
По изменению энергии звуковой волны можно контролировать состав различных смесей, ие являющихся химическими соединениями. Скорость звука в таких средах ие изменяется, а наличие примесей взвешенного вещества влияет на коэффициент поглощения звуковой энергии. Это дает возможность определить процентное содержание примесей в исходном веществе.
По отражению звуковых волн на границе раздела сред («просвечивание» ультразвуковым лучом) можно определить наличие примесей в монолите и создать приборы ультразвуковой диагностики.

Установка состоит из лабораторной стойки, ультразвукового генератора, высокоэффективного, высокодобротного магнитострикционного преобразователя и трех волноводов-излучателей (концентраторов) к преобразователю. имеет ступенчатую регулировку выходной мощности, 50%, 75%, 100% номинальной выходной мощности. Регулировка мощности и наличие в комплекте трех различных волноводов-излучателей (с коэффициентом усиления 1:0.5, 1:1 и 1:2) позволяет получить различную амплитуду ультразвуковых колебаний в исследуемых жидкостях и упругих средах, ориентировочно, от 0 до 80 мкм на частоте 22 кГц.

Многолетний опыт изготовления и продаж ультразвукового оборудования подтверждает осознанную необходимость в оснащении всех видов современного высокотехнологичного производства Лабораторными установками.

Получение нано-материалов и нано-структур, внедрение и развитие нано-технологий невозможно без применения ультразвукового оборудования.

С помощью данного ультразвукового оборудования возможно:

• получение нано-порошков металлов;
• использование при проведении работ с фуллеренами;
• исследование протекания ядерных реакций в условиях сильных ультразвуковых полей (холодный термояд);
• возбуждение сонолюминисценции в жидкостях, в исследовательских и промышленных целях;
• создание мелкодисперсных нормализованных прямых и обратных эмульсий;
• озвучивание древесины;
• возбуждение ультразвуковых колебаний в расплавах металлов для дегазации;
• и многое, многое другое.

Современные ультразвуковые диспергаторы с цифровыми генераторами серии И10-840

Ультразвуковая установка (диспергатор, гомогенизатор, эмульгатор) И100-840 предназначена для лабораторных исследований воздействия ультразвука на жидкие среды с цифровым управлением, с плавной регулировкой, с цифровым выбором рабочей частоты, с таймером, с возможностью подключения различных по частоте и мощности колебательных систем и записью параметров обработки в энергонезависимую память.

Установка может быть укомплектована ультразвуковыми магнитострикционными или пьезокермическими колебательными системами с рабочей частотой 22 и 44 кГц.

При необходимости возможно комплектование диспергатора колебательными системами на 18, 30, 88 кГц.

Ультразвуковые лабораторные установки (диспергаторы) используются:

• для лабораторных исследований влияния ультразвуковой кавитации на различные жидкости и помещенные в жидкость образцы;
• для растворения трудно или мало растворимых веществ и жидкостей в других жидкостях;
• для проведения испытаний различных жидкостей на кавитационную прочность. Например, для определения стабильности вязкости промышленных масел (см. ГОСТ 6794-75 на масло АМГ-10);
• для исследований изменения скорости пропитки волокнистых материалов под воздействием ультразвука и для улучшения пропитки волокнистых материалов различными наполнителями;
• для исключения агрегатирования минеральных частиц при гидросортировке (абразивные порошки, геомодификаторы, природные и искусственные алмазы и т. д.);
• для ультразвуковой отмывки сложных изделий автомобильной топливной аппаратуры, форсунок и карбюраторов;
• для исследований на кавитационную прочность деталей машин и механизмов;
• и в самом простом случае - как высоко интенсивная ультразвуковая моющая ванна. Осадок и отложения на лабораторной посуде и стекле удаляются или растворяются за считанные секунды.

Применяют для мойки деталей и узлов различной техники, сварки различных материалов. Ультразвук используют для получения суспензий, жидких аэрозолей и эмульсий. Для получения эмульсий выпускают, например, смеситель-эмульгатор УГС-10 и другие аппараты. Методы, основанные на отражении ультразвуковых волн от границы раздела двух сред, применяют в приборах для гидролокализации, дефектоскопии, медицинской диагностики и т. п.

Из других возможностей ультразвука следует отметить его способность обработки твердых хрупких материалов под заданный размер. В частности, весьма эффективна ультразвуковая обработка при изготовлении деталей и отверстий сложной формы в таких изделиях, как стекло, керамика, алмаз, германий, кремний и др., обработка которых другими методами затруднена.

Применение ультразвука при восстановлении изношенных деталей уменьшает пористость наплавляемого металла и увеличивает его прочность. Кроме того, снижается коробление наплавленных удлиненных деталей, например коленчатых валов двигателей.

Ультразвуковая очистка деталей

Ультразвуковую очистку деталей или предметов применяют перед ремонтом, сборкой, окраской, хромированием и другими операциями. Особенно эффективно ее применение для очистки деталей, имеющих сложную форму и труднодоступные места в виде узких щелей, прорезей, мелких отверстий и т. п.

Промышленность выпускает большое число установок для ультразвуковой очистки, различающихся конструктивными особенностями, вместимостью ванн и мощностью, например транзисторные: УЗУ-0,25 с выходной мощностью 0,25 кВт, УЗГ-10-1,6 с мощностью 1,6 кВт и др., тиристорные УЗГ-2-4 с выходной мощностью 4 кВт и УЗГ-1-10/22 с мощностью 10 кВт. Рабочая частота установок - 18 и 22 кГц.

Ультразвуковая установка УЗУ-0,25 предназначена для очистки мелких деталей. Она состоит из ультразвукового генератора и ультразвуковой ванны.

Технические данные ультразвуковой установки УЗУ-0,25

Частота сети - 50 Гц

Мощность, потребляемая от сети - не более 0,45 кВа

Частота рабочая - 18 кГц

Мощность выходная - 0,25 кВт

Внутренние габариты рабочей ванны - 200 х 168 мм при глубине 158 мм

На передней панели ультразвукового генератора размещены тумблер включения генератора и лампа, сигнализирующая о наличии напряжения питания.

На задней стенке шасси генератора находятся: патрон для предохранителя и два штепсельных разъема, посредством которых генератор соединяется с ультразвуковой ванной и питающей сетью, клемма для заземления генератора.

В дно ультразвуковой ванны вмонтированы три пакетных пьезоэлектрических преобразователя. Пакет одного преобразователя состоит из двух пьезоэлектрических пластин из материала ЦТС-19 (цирконат-титанат свинца), двух частотно-понижающих накладок и центрального стержня из нержавеющей стали, головка которого является излучающим элементом преобразователя.

На кожухе ванны расположены: штуцер, ручка крана с надписью «Слив», клемма для заземления ванны и штепсельный разъем для соединения с генератором.

На рисунке 1 показана принципиальная электрическая схема ультразвуковой установки УЗУ-0,25.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема ультразвуковой установки УЗУ-0,25

Первая ступень представляет собой , работающий на транзисторе VT1 по схеме с индуктивной обратной связью и колебательным контуром.

Электрические колебания ультразвуковой частоты 18 кГц, возникающие в задающем генераторе, подаются на вход предварительного усилителя мощности.

Предварительный усилитель мощности состоит из двух ступеней, одна из которых собрана на транзисторах VT2, VT3, вторая - на транзисторах VT4, VT5. Обе ступени предварительного усиления мощности собраны по последовательно-двухтактной схеме, работающей в режиме переключения. Ключевой режим работы транзисторов позволяет получить при достаточно большой мощности высокий КПД.

Цепи баз транзисторов VT2, VT3. VT4, VT5 подключены к отдельным, включенным встречно обмоткам трансформаторов TV1 и TV2. Это обеспечивает двухтактную работу транзисторов, то есть поочередное включение.

Автоматическое смещение этих транзисторов обеспечивается резисторами R3 - R6 и конденсаторами С6, С7 и С10, С11, включенными в цепь базы каждого транзистора.

Переменное напряжение возбуждения подается на базу через конденсаторы С6, С7 и С10, С11, а постоянная составляющая базового тока, проходя через резисторы R3 - R6, создает на них падение напряжения, обеспечивающее надежное закрывание и открывание транзисторов.

Четвертая ступень - усилитель мощности. Он состоит из трех двухтактных ячеек на транзисторах VT6 - VT11, работающих в режиме переключения. Напряжение от предварительного усилителя мощности подается на каждый транзистор с отдельной обмотки трансформатора ТV З, причем в каждой ячейке эти напряжения противофазны. С транзисторных ячеек переменное напряжение подается на три обмотки трансформатора TV4, где происходит сложение мощности.

С выходного трансформатора напряжение подается на пьезоэлектрические преобразователи АА1, АА2иААЗ.

Так как транзисторы работают в режиме переключения, то выходное напряжение, содержащее гармоники, имеет прямоугольную форму. Для выделения первой гармоники напряжения на преобразователях к выходной обмотке трансформатора TV4 последовательно с преобразователями включена катушка L, индуктивность которой рассчитана таким образом, что с собственной емкостью преобразователей она составляет колебательный контур, настроенный на 1-ю гармонику напряжения. Это позволяет получить на нагрузке синусоидальное напряжение, не меняя энергетически выгодного режима транзисторов.

Питание установки осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В с частотой 50 Гц с помощью силового трансформатора TV5, имеющего первичную обмотку и три вторичные, одна из которых служит для питания задающего генератора, а две другие служат для питания остальных ступеней.

Питание задающего генератора осуществляется от выпрямителя, собранного по (диоды VD1 и VD2).

Питание предварительных ступеней усиления осуществляется от выпрямителя, собранного по мостовой схеме (диоды VD3 - VD6). Вторая мостовая схема на диодах VD7 - VD10 питает усилитель мощности.

В зависимости от характера загрязнения и материалов следует выбрать моющую среду. В случае отсутствия тринатрийфосфата для очистки стальных деталей может быть использована кальцинированная сода.

Время очистки в ультразвуковой ванне колеблется от 0,5 до 3 мин. Максимально допустимая температура моющей среды - 90 о С.

Перед сменой моющей жидкости генератор следует выключить, не допуская работы преобразователей без жидкости в ванне.

Очистку деталей в ультразвуковой ванне осуществляют в следующей последовательности: тумблер питания ставят в положение «Выкл.», сливной кран ванны - в положение «Закрыто», в ультразвуковую ванну заливают моющую среду до уровня 120 - 130 мм, вилку питающего кабеля включают в розетку электрической сети напряжением 220 В.

Проводят опробование установки: включают тумблер в положение «Вкл.», при этом должна загореться сигнальная лампа и появиться рабочий звук кавитирующей жидкости. О появлении кавитации можно судить также по образованию на преобразователях ванны мельчайших подвижных пузырьков.

После опробования установки ее следует отключить от сети, загрузить в ванну загрязненные детали и начать обработку.