Gli ultrasuoni nel lavaggio industriale (parte 8 ) Una panoramica completa, teorica e pratica, sullo "stato dell arte" di una tecnologia che presenta ancora molti lati sconosciuti e che è caratterizzata da esperienze empiriche a volte controverse A cura della Redazione Metal Cleaning & Finishing 13
IL GENERATORE E l apparecchiatura elettronica che fornisce al trasduttore l energia elettrica da trasformare in energia meccanica. Esso converte l energia elettrica di rete dai 50 Hz della linea di alimentazione alla frequenza desiderata (Fig. 27); tale conversione può essere ottenuta con modalità diverse, ma attualmente viene utilizzata quasi esclusivamente quella che prevede l uso della tecnologia dello stato solido. Ci sono differenti tipi di generatore a stato solido, a seconda del tipo di elementi di potenza presenti: MO- SFET, BJT (bipolari), GTO, Tiristori (diodi controllati al silicio). I generatori possono produrre corrente o tensione: i primi sono in grado di fornire un intensità di corrente pressoché costante, qualunque sia la tensione richiesta dal carico; i secondi sono in grado di fornire una tensione (differenza di potenziale) costante, qualunque sia la corrente prelevata dal carico. I generatori di corrente vengono usati con i trasduttori magnetostrittivi, poiché deve essere sempre fornita una corrente costante alla bobina che genera il campo magnetico. I generatori di tensione vengono usati con i trasduttori piezoelettrici; l alimentazione è in parallelo e viene ripartita equamente tra gli elementi, a patto che questi siano identitici costruttivamente e siano soggetti alla medesima intensità di compressione meccanica. Indipendentemente dal tipo di trasduttore a cui lo si accoppia, un generatore di ultrasuoni può essere pensato come costituito da una elettronica di potenza, il cui compito è quello di convertire e controllare la potenza elettrica trattata, ed una elettronica supplementare, il cui compito è quello di gestire una serie di funzioni aggiuntive, quali display, pulsantiere, eccetera. L elettronica di potenza svolge diverse operazioni, le cui principali possono essere così schematizzate: raddrizzare la tensione di rete (conversione ca/cc), operazione necessaria per permettere il passaggio dalla frequenza di rete (50 Hz) alla frequenza desiderata (KHz); aumentare il valore della tensione in uscita (conversione cc/cc, con innalzamento della tensione d ingresso), operazione necessaria perché i trasduttori vanno alimentati con tensioni comprese tra 200 e 600 Veff; fornire in uscita il segnale alla frequenza desiderata (conversione cc/ca), operazione ottenuta mediante circuiti particolari (inverter), al cui interno si trovano sia appositi componenti aventi la funzione di interruttori, sia un trasformatore, il cui compito è quello di determinare la frequenza della tensione in uscita, nonché fornire la potenza alternata al carico (a valle del trasformatore il segnale in uscita è un onda quadra); fornire al segnale in uscita la forma d onda desiderata (partendo dall onda quadra, è possibile, tramite l inserimento di appositi filtri elettronici, ottenere sia onde sinusoidali, sia onde periodiche di altro tipo); fornire in uscita la potenza desiderata, operazione ottenuta mediante appositi amplificatori elettronici. Fig. 27 - Rappresentazione schematica della conversione di frequenza 14 Metal Cleaning & Finishing
Quando ci si riferisce alla potenza di un generatore, bisogna sempre distinguere tra due parametri fondamentali: la potenza assorbita dalla rete (a 50 Hz) e la potenza resa (erogata) dal generatore alla frequenza di progetto. Il rapporto tra questi due parametri fornisce l efficienza elettrica (eel) del generatore. In funzione di come è fatto il circuito interno del generatore (cioè di quali componenti esso è costituito e di come sono tra di loro connessi) ed in funzione della forma d onda che esso fornisce in uscita (sinusoidale, periodica complessa, quadra), l efficienza elettrica assume valori differenti: normalmente non dovrebbe essere inferiore all'85-90%. Teoricamente, l onda quadra è quella che fornisce la maggiore efficienza elettrica, rispetto all onda sinusoidale; ciò è dovuto al fatto che l onda quadra è un segnale che può assumere solo due possibili valori: V=0 (interruttore aperto, assenza del passaggio di corrente) e V=VM (interruttore chiuso, presenza di corrente) ed in entrambi i casi la potenza dissipata è nulla. In realtà, poiché è sempre presente una differenza di potenziale ai capi del generatore, dovuta alle componenti interne, la potenza dissipata non è mai nulla. Nell onda sinusoidale invece, la variazione tra il valore zero ed il valore massimo della tensione è continua (cioè la tensione assume tutti i valori intermedi) e quindi la potenza dissipata non è mai nulla, neanche teoricamente; da ciò consegue una minore efficienza elettrica per il generatore con questa forma d onda. Nella pratica poi, poiché il passaggio da onda quadra ad onda sinusoidale viene effettuato mediante l inserimento di appositi filtri elettronici, se tali elementi risultano poco dissipativi, la perdita di efficienza è piuttosto ridotta. Da ultimo, è utile una precisazione. Quando si parla di potenza assorbita e di potenza resa, si deve sempre fare riferimento al valore medio temporale espresso dalla formula della potenza elettrica media: Quando sui bollettini tecnici dei costruttori di generatori vengono riportati due valori (ad esempio 1200W/600W), il valore più alto è relativo alla potenza di picco, mentre il più basso è quello relativo al valore medio temporale; è quest ultimo che assume importanza primaria, in quanto è quello su cui vengono conteggiati i consumi energetici. La potenza dichiarata sui bollettini tecnico-commerciali dovrebbe sempre essere quella resa in uscita. Per la misura della potenza assorbita e della potenza resa dal generatore (ovvero per la verifica indiretta dell efficienza elettrica dello stesso), viene usato il Wattmetro. Per la misura della potenza assorbita lo strumento va inserito circuitalmente in serie tra la presa dell alimentazione di rete ed il generatore; per la misura della potenza resa, lo strumento va inserito in serie tra generatore e trasduttore. La potenza resa dal generatore serve ad alimentare il trasduttore nella sua opera di trasformazione dell energia da elettrica a meccanica, prima, e da meccanica ad acustica poi, indipendentemente dai rendimenti relativi alle due trasformazioni. I generatori attuali sono dotati di una serie di opzioni, che dovrebbero permettere l ottimizzazione del trasferimento di energia in funzione delle variazioni del carico acustico ed in funzione degli altri parametri che regolano il processo; le tecniche adottate sono diverse e verranno esaminate nei prossimi capitoli. Occorre precisare però che non tutte le soluzioni propagandate come innovazioni sono effettivamente influenti nel migliorare l efficienza complessiva del sistema ed il miglioramento della qualità del lavaggio: a volte è preponderante il solo aspetto commerciale, rispetto a quello tec- Metal Cleaning & Finishing 15
nico; il giudizio complessivo non può quindi che essere quello dato dalla verifica sul campo delle prestazioni promesse. La tendenza attuale dei costruttori di dispositivi ad ultrasuoni è quella di dotare il generatore del maggior numero di opzioni (per la regolazione della potenza, per la modulazione singola o doppia della frequenza, per la degasazione del liquido, eccetera), affinché l utilizzatore possa personalizzare il proprio dispositivo in funzione delle proprie necessità produttive e delle tipologie dei pezzi da trattare. Indubbiamente una tale possibilità è vantaggiosa per coloro che trattano pezzi di differenti configurazioni o di materiali diversi, oppure hanno necessità di diversificare il proprio processo produttivo, in quanto il dispositivo possiede la necessaria flessibilità per adattare il lavaggio con ultrasuoni alle diverse esigenze che si vengono a presentare; al contrario, sono forse eccessivi per chi ha una produzione standard. OTTIMIZZAZIONE DEL SISTEMA GENERATORE/TRASDUTTORE Il principale problema che si incontra nell accoppiamento di un generatore con un trasduttore, è quello relativo all ottenimento del massimo di trasferimento di energia. Come precedentemente detto, un trasduttore ha la proprietà di trasmettere potenza acustica, sotto forma di onde di pressione, il cui massimo valore è ottenibile quando il trasduttore vibra alla propria frequenza di risonanza. Come vedremo in seguito però, quest ultima non assume un valore fisso, ma varia in funzione del carico acustico cui è sottoposto il trasduttore. In condizioni operative quindi, la potenza effettivamente trasmessa dal sistema generatore/trasduttore al carico acustico dipende da una serie di fattori, ognuno dei quali individua una serie di perdite energetiche. Queste possono essere raggruppate in tre classi distinte, qui di seguito elencate: modalità di trasferimento dell energia dal generatore al trasduttore; scostamento dalla frequenza di risonanza; perdite interne del trasduttore. Per poter rendere conto delle prestazioni complessive del sistema generatore/trasduttore in relazione al carico acustico applicato, viene definita un efficienza complessiva del sistema, come prodotto di più efficienze, ciascuna rappresentativa di ogni trasformazione energetica in atto. Della efficienza elettrica si è già detto nel precedente capitolo. Il secondo trasferimento di energia da prendere in considerazione è quello dal generatore al trasduttore; esso non è mai totale, in quanto la quantità di energia elettrica che viene trasformata in energia meccanica di vibrazione del trasduttore dipende sostanzialmente dalle perdite elettriche o dalle eventuali correnti parassite presenti, a seconda che il trasduttore sia di tipo piezoelettrico o magnetostrittivo, nonché dalla dissipazione termica degli elementi e dalla impedenza del carico (cioè la resistenza che il carico oppone alla propagazione dell energia, dipendente dalle sue caratteristiche chimico-fisiche). La quantità di energia effettivamente trasformata viene rappresentata da un parametro detto efficienza elettromeccanica (eem). I trasduttori magnetostrittivi generalmente possiedono un efficienza elettromeccanica inferiore rispetto ai piezoelettrici, a parità di potenza resa dal generatore; ciò è dovuto al fatto che il campo magnetico, generato per potere ottenere la magnetostrizione del trasduttore, provoca (come effetto secondario) l induzione di correnti parassite all interno di ogni singola lamina di nichel, con conseguente dissipazione di energia. Tali correnti parassite sono tanto maggiori quanto maggiore è lo spessore della lamina, ma ridurre troppo quest ultimo parametro può comportare la rottura delle lamine stesse dovuta agli sforzi subiti durante la vibrazione. Gli attuali trasduttori sono quindi il risultato di un compromesso tra queste due esigenze, il cui limite è quello di non poter operare a frequenze superiori ai 20-25 KHz. Anche la forma d onda del segnale ha una sua influenza sull efficienza elettromeccanica. Le forme d onda più semplici sono quelle che forniscono l efficienza più elevata, a parità di potenza erogata dal generatore; l onda sinusoidale è quella che fornisce il valore maggiore in assoluto, mentre l onda quadra, essendo formata da numerose armoniche che il trasduttore converte in calore e non in suono, ha una efficienza più bassa. Inoltre, sempre a causa della presenza di armoniche superiori alla frequenza di risonanza, l energia effettivamente trasferita da quest ultima al carico è solo una parte (anche se preponderante) di quella complessivamente trasmessa, poiché la restante viene ripartita sulle altre: di conseguenza, l energia a disposizione per la cavitazione (che è fornita solo dalla frequenza di risonanza) risulta ridotta. Il terzo parametro è relativo al trasferimento di energia dal trasduttore al carico acustico. Esso è definito efficienza meccanicoacustica (ema) e rende conto di un ulteriore perdita di potenza che si manifesta quando è presente uno scostamento (desintonizzazione) tra la frequenza emessa dal generatore e la frequenza di risonanza meccanica del trasduttore. Tale scostamento è principalmente dovuto alle variazioni del carico acustico (in temperatura e in livello del liquido, nella conformazione 16 Metal Cleaning & Finishing
dei pezzi) e secondariamente al decadimento nel tempo delle componenti del generatore (resistori, condensatori, eccetera) o a quelle della tensione di alimentazione del generatore. Il problema in questo caso è quello di garantire che la frequenza del generatore rimanga agganciata a quella del trasduttore; le tecniche usate per ovviare a tale inconveniente, prevedono l utilizzo di sistemi di controllo retroazionati ( feedback ), che controllano istante per istante la fase del generatore e compensano le eventuali variazioni. I circuiti di autoregolazione della frequenza di lavoro sono in grado di testare ed aggiustare la frequenza di risonanza del trasduttore per decine di volte ogni secondo. Alcuni generatori sono dotati di regolatore manuale di sintonia; ciò significa che è possibile effettuare in proprio la taratura della frequenza di lavoro del generatore, relativamente all effettiva frequenza di risonanza del trasduttore alle condizioni operative del sistema: più precisamente, alla sola presenza del liquido di lavaggio a temperatura ambiente. Una volta effettuata tale taratura, l ottimizzazione delle prestazioni in funzione delle variazioni del carico acustico viene regolata dal dispositivo automatico di sintonia. I circuiti automatici di regolazione della frequenza sono presenti sia nei dispositivi piezoelettrici che in quelli magnetostrittivi. Se non compensato, tale scostamento porta ad una riduzione della potenza di picco e, conseguentemente, ad una riduzione della potenza media trasmessa. Un metodo piuttosto semplice di autoregolazione si ottiene rilevando la caduta di tensione ai capi del trasduttore: nel caso di diminuzione di tale parametro (indice della riduzione di potenza erogata), il generatore ottimizza il sistema riportando la frequenza al valore nominale. L efficienza meccanico-acustica è senz altro nulla nei casi estremi di carico massimo (in cui il trasduttore è impossibilitato a vibrare) e di carico minimo (in cui il trasduttore vibra nel vuoto ed è quindi impossibilitato a trasmettere la perturbazione ondosa), mentre è massima in condizioni di carico ottimale; questo massimo però, può essere diverso da trasduttore a trasduttore, in funzione di quelle che sono le perdite interne, elettriche e meccaniche, nonché da quelle che possono essere individuate come perdite energetiche dovute all unità radiante (soprattutto nel caso di spessori elevati). Su quest ultimo aspetto occorre specificare il fatto che maggiore è la frequenza dell onda e minore deve essere lo spessore dell unità radiante, affinché la perdita energetica risulti la più contenuta possibile: a titolo di esempio, si consideri che per frequenze di 20 KHz lo spessore può essere di circa 2,5-3 mm, mentre a 40 KHz non dovrebbe essere superiore a 1,5 2 mm. L efficienza meccanico-acustica rappresenta quindi la quantità di energia meccanica di vibrazione del trasduttore, che viene effettivamente trasmessa come perturbazione ondosa al carico acustico. Occorre però fare una precisazione in merito al concetto di carico ottimale: non è possibile definire a priori la condizione di carico ottimale su cui progettare e dimensionare il dispositivo ad ultrasuoni. Questo perché il carico acustico non è una costante del sistema, ma è una variabile che dipende da svariati fattori, quali ad esempio la temperatura del bagno, la concentrazione di prodotti di pulizia e di contaminanti, la presenza/assenza di pezzi, il materiale di cui sono costituiti i pezzi, la loro forma, eccetera (fattori che variano nel tempo). Il problema quindi è inverso: bisogna progettare e dimensionare il dispositivo in maniera tale che sia in grado di autoregolare la frequenza e la potenza erogata in funzione delle variazioni del carico acustico, così da ottimizzare sempre le prestazioni. Solo in questo modo è possibile far lavorare il sistema in condizioni di carico ottimale. Il prodotto tra efficienza elettrica, efficienza elettromeccanica ed efficienza meccanicoacustica, viene definito come efficienza elettroacustica (eea) e rappresenta l effettiva prestazione complessiva del sistema generatore/trasduttore. Resterebbe ora da determinare quanta della potenza acustica emessa dall unità radiante viene effettivamente utilizzata per il lavaggio: si tratta di un aspetto rilevante, che approfondiremo nei prossimi capitoli. INDICE DELLE PUNTATE PRECEDENTI: I ) Introduzione e "stato dell'arte" II ) Cenni di acustica III) Gli ultrasuoni IV) I trasduttori magnetostrittivi V) I trasduttori piezoelettrici (1) VI) I trasduttori piezoelettrici (2) VII) I trasduttori piezoelettrici (3) Metal Cleaning & Finishing 17