CN101565221B - 高频电磁水净化系统 - Google Patents

Abstract

一种净水处理技术领域的高频电磁水净化系统，包括：高频调制波发生器、前置电压放大器、高频功率放大器、电磁水能量转换器、状态参数监测器、信号处理器和稳压电源。本发明对水管壁能够有效防垢、除垢，而且能够对循环水系统的水流量与电导率进行实时检测，并能够根据水流量与电导率进行识别运算来确定应该向被处理水质发送的最佳电磁能量功率，因此在进行水处理的同时，实现了高效节能的效果。

Description

高频电磁水净化系统

技术领域

本发明涉及的是一种净水处理技术领域的装置，具体是一种高频电磁水净化系统。

背景技术

众所周知，只要是以水作为介质的热交换系统就难免会发生管道内壁结垢的现象，尤其是工业冷却水循环系统。管道内壁一旦生成水垢，势必直接影响到系统的热交换效率。为了消除管道内壁结垢，通常的做法是利用弱酸性流体对管路进行冲洗，这种清除管路结垢的方法属于化学方法，其弊端是既会造成环境污染，又有可能加速管道内壁的腐蚀。近年来，通过研究已经发现：管道水质在电磁场能量的作用下，水分子会降低聚集力，不易形成大缔合状态的水分子团，通过电磁场而生成小缔合态或单个水分子很容易被钙、镁离子所吸附，进而能够阻止碳酸盐微晶面的形成和生长，而且使得碳酸盐分子团成为非晶状的絮状体，因此很容易被水流所带走，同时被高频能量激活的水分子具有极强的浸润和渗透性，极易在结垢层的微缝隙中做高频率振荡，因此会使得水垢松散、脱落，随着微缝隙的不断扩大，最终会将管壁水垢清洗干净。电磁能量对水质作用的上述机理，不断催生出诸多电磁水处理装置与方法。研究工作还发现：电磁水处理装置还能够防止管壁的化学与电化学腐蚀，抑制微生物生长，具有杀菌、灭藻的功能。

经对现有技术文献的检索发现，专利申请号200610077527.X，授权公告号CN1872718C，记载了一种“高频电子除垢阻垢装置”，包括：高频电源、馈电导线、高频电场水处理装置及附设的阀门、进出水管路、连接法兰组成，其中的高频电场水处理装置由至少两个其内设置高频电极的水处理单元组成，分流腔体和集流腔体与各水处理单元间用连通管连通，各水处理单元中高频电极位于其截面中心且沿轴向设置，所用的高频电场的电功率不低于(50n+150)V。但是该技术并没有提供公式中确定高频电场电功率的“被处理水的硬度”n及“水处理的流量”V的检测方法，更没有实现对该两个参数的自动检测技术，显而易见，该专利的水处理过程距离自动化程度存在较大的差距，其实际使用效果处于“不可自动观测”状态，同时，在这种“开环控制”运行方式下，将会造成“高频电场电功率”的极大浪费。

另经检索发现，专利申请号01105806.4，授权公告号CN1152832C，记载了一种“高频强磁协同水处理方法及其装置”，使进水流入高频电磁场内，进行高频电磁化处理，然后将处理后的水导入强磁区域，进行强磁化处理，输出处理后的水。其装置包括一个产生高频电磁场的电子发生器和一个筒体，筒体内具有极棒和磁芯组件。磁芯组件是由套筒、具有中心芯棒的支架、分布在芯棒上的若干磁块以及与这些磁块相向分布在套筒内壁面上的若干磁块所组成。但是该技术的结构过于复杂，而且维护极为不方便，其中的“强磁区域”是一种固定磁场强度的磁极对结构，无法适应不同流量工况下的水处理过程。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种高频电磁水净化系统，对水管壁能够有效防垢、除垢，而且能够对循环水系统的水流量与电导值进行实时检测，并能够根据水流量与电导值进行识别运算来确定应该向被处理水质发送的最佳电磁能量功率，因此在进行水处理的同时，实现了高效节能的效果。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：高频调制波发生器、前置电压放大器、高频功率放大器、电磁水能量转换器、状态参数监测器、信号处理器和稳压电源，其中：高频调制波发生器的输出接口与前置电压放大器的输入接口连接，前置电压放大器的输出接口与高频功率放大器的输入接口连接，高频功率放大器的输出接口与电磁水能量转换器的输入接口连接，状态参数监测器的输出接口与信号处理器的输入接口连接，信号处理器的第一输出接口与前置电压放大器的控制信号输入接口连接，信号处理器的第二输出接口与状态参数监测器中的开关信号模块触发脉冲信号输入接口连接，稳压电源输出的直流电压电源信号分别与高频调制波发生器、前置电压放大器、高频功率放大器、状态参数监测器、信号处理器的电源输入端口连接。

所述的状态参数监测器用于监测水处理过程的第一参数和第二参数。

所述的第一参数是指水管阻力段的水流差压，该水流差压电信号由状态参数监测器中的水流差压传感模块感应生成，水流差压即由水管阻力段上下游两侧的测压点及其导压孔管传导出来的水流压头差值，所述的水管阻力段，即能够使得水流流速发生变化的管段，如管路中的弯管段、变直径管段等。

所述的第二参数，由状态参数监测器中的开关信号模块输出并加在水管阻力段上下游两侧的测压点之间的直流电压信号。

所述高频调制波发生器，包括：高频振荡模块、锯齿波振荡模块、振幅调制模块和高频放大模块，其中：高频振荡模块的输出端口连接至振幅调制模块的载波信号输入端口，锯齿波振荡模块的输出端口连接至振幅调制模块的调制信号输入端口，振幅调制模块的输出端口连接至高频放大器的输入端口，高频放大模块的输出端口即高频调制波发生器的输出接口。

所述的高频振荡模块中设有LC三点式振荡电路，通过改变电感器L或者电容器C的数值能够改变高频振荡模块的输出信号频率。

所述的锯齿波振荡模块，是利用RC积分电路的正向积分时间常数远大于反向积分时间常数、或者反向积分时间常数远大于正向积分时间常数的电路特性所引起在电容器上的不同充放电效应，使得RC积分电路在电阻R上的电压降呈现上升和下降斜率相差很大的效果，因此获得锯齿波形态的输出电压信号。

高频振荡模块输出的高频信号和锯齿波振荡模块输出的锯齿波电压信号分别通过振幅调制模块的载波信号输入端口和调制信号输入端口送至振幅调制模块后，实现锯齿波电压信号对高频信号的振幅调制，也就是说，振幅调制模块接收到的高频信号被锯齿波电压信号所调制，即高频信号的振幅参数随着锯齿波电压信号的幅值大小而变化，此时，被调制的高频信号被称为载波信号，去调制高频信号的锯齿波电压信号被称为调制信号。

振幅调制模块在接收到高频信号和锯齿波电压信号的同时还会产生混频效应，即在振幅调制模块的输出端口会形成两种载波频率的信号输出：第一，载波与调制波两者频率之和为载波频率的调幅信号，简称为“频率和信号的调幅波”，第二，载波与调制波两者频率之差为载波频率的调幅信号，简称为“频率差信号的调幅波”，振幅调制模块所生成的两种载波频率的调幅波信号通过其输出端口输送至高频放大模块进行高频信号放大以提高两种调幅波信号的电压增益。

所述的前置电压放大器为集电极最大耗散功率为毫瓦级的晶体管组成的增益可控放大电路。

当前置放大器控制信号输入接口接收到信号处理器的控制信号时，前置放大器能够根据控制信号改变其输出的电压大小，进而在前置放大器输出电压的驱动下，改变高频功率放大器的输出功率。所述增益可控放大电路，采用信号相加式电路结构，该电路结构使用模拟信号控制增益，而且增益连续可调。

所述的高频功率放大器为工作频率处于10～12MHz之间、输出功率大于50W的高频大功率晶体管组成的功率放大电路。

所述的电磁水能量转换器为两种能量转换方式中任意一种，其中第一种所述的电磁水能量转换器为水管外壁设置的两组线圈；第二种所述的电磁水能量转换器为在水管内部设置的电极棒。第一种方式所述的两组线圈的绕向相同，两组线圈之间相隔的距离为管道标称直径的整数倍；第二种方式所述的电极棒的任意一个端点和电极棒所处管段的管壁上的电气接点构成电磁水能量转换器的输入接口，在该能量转换方式，高频功率放大器已经包含谐振于两个载波频率的两个输出谐振回路，该两个谐振回路的交点和高频功率放大器的接地点即为其输出接口的端点。

当电磁水能量转换器采取第一种方式进行电磁能量向水分子内能的转换时，两个线圈既是高频功率放大器输出回路上的谐振电感线圈，又是电磁水能量转换器上电磁能量的发射线圈，两个线圈的接线端点即为电磁水能量转换器的输入接口端点，高频功率放大器的两个输出谐振回路上两个电容器的四个接线端点即为高频功率放大器的输出接口端点，对应的线圈与电容器接线端点两两对接即分别构成高频功率放大器谐振于两个载波频率的两个输出谐振回路。

所述状态参数监测器，包括：水流差压传感模块、信号调理模块、第一模数转换模块、第二模数转换模块、导压孔管和开关信号模块，其中：水流差压传感模块的输出端口与信号调理模块的输入端口连接；信号调理模块的输出端口与第一模数转换模块的输入端口连接，第一模数转换模块的输出端口与信号处理器的输入接口连接；开关信号模块的电源接入端口连接至稳压电源的对应电压输出端头，开关信号模块的触发脉冲信号输入端口与信号处理器的第二输出接口连接，开关信号模块的输出端口的两个端点分别与水管阻力段的上下游两侧的导压孔管连接，导压孔管由导电材质制成，如铜质导管；水流差压传感模块的输入接口连接两个导压孔管后端，两个导压孔管的感压前端分别安装于管路阻流件的上、下游两侧且与金属水管壁电气绝缘；第二模数转换模块的输入端口与开关信号模块中的输出端口连接，第二模数转换模块的输出端口与信号处理器的输入接口。

所述的两个导压孔管的感压前端将感应到的水管阻力段的上、下游两侧水流差压通过导压孔管传递到水流差压传感模块的输入端口，水流差压传感模块将管路阻流件上、下游侧的水流差压通过差压传感器件转换成一个电压信号输出至信号调理模块，代表水流差压的电压信号经过信号调理模块的调理后，将提高了信噪比的信号输送至第一模数转换模块转换成数字信号输出。

当开关信号模块的触发脉冲信号输入端口接收到信号处理器的控制信号时，开关信号模块中的电子开关器件导通，将稳压电源输出的直流电压通过与其串接的标准电阻器的一个端点和接地端点即输出端口的两个端点加到管路阻流件上下游两侧的导压孔管之间，同时管路阻流件上下游两侧的导压孔管之间两个端点的电压值通过开关信号模块输出端口反馈至第二模数转换器的输入端口。

所述信号处理器，包括：运算模块、时钟模块和控制模块，其中：运算模块的输入端口即信号处理器的输入接口，运算模块的输出端口与控制模块的输入端口连接，运算模块将计算结果送入控制模块，控制模块的输出端口即信号处理器的输出接口。

所述的运算模块的输入端口包含三个信号通道，其中：第一信号通道接收来自状态参数监测器第一模数转换模块输出的数字信号，第二信号通道接收来自状态参数监测器第二模数转换模块输出的数字信号，第三信号通道接收时钟模块时间脉冲序列信号。

所述的运算模块承担的运算功能包括：水流流量、水质电导和状态参数监测器开关信号模块中的开关信号频率，并根据水流流量和水质电导计算出当前待处理水质需要的电磁场能量及其前置电压放大器应该具有的电压增益。

所述的控制模块根据运算结果生成相应的决策指令并转换为模拟信号分别输出至前置电压放大器和状态参数监测器开关信号模块。

所述的时钟模块中设有晶体振荡器，该时钟模块生成时间脉冲序列并输出至运算模块，运算模块能够根据标准时间脉冲序列通过运算软件确定向状态参数监测器开关信号模块输出的触发脉冲信号周期，从而确定加在管路阻流件上下游两侧的导压孔管之间电压开关信号的频率。

本发明系统工作过程包括：

第一过程，高频调制波发生器产生的双载波频率的振幅调制信号输送至前置电压放大器进行电压放大，经电压放大后的高频电压信号输送至高频功率放大器进行功率放大，经功率放大后的高频功率信号是双载波频率的调幅大功率信号，该功率信号通过电磁水能量转换器将产生一种双载波频率的、振幅按照锯齿波形态进行周期性脉动的、具有足够磁感应强度的磁场能量作用在水质上，其中：当高频振荡模块产生的高频信号频率为f₀、锯齿波振荡模块产生的锯齿波信号频率为f_d时，经过振幅调制模块调制后的输出信号的瞬时电压u₁能够用(公式一)和(公式二)来表示：

(公式一)

式中，A_T(t)为锯齿波幅值A_T随时间t变化的周期性函数，且

$A_T\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{U}{T}t& \mathrm{nT}<t<(n+1)T\\ 0& t=\mathrm{nT}\end{array}\right.$ (公式二)

其中：U为锯齿波尖峰幅值，即锯齿波最大幅值，T为锯齿波变化周期，n＝0，1，2，...∞，A₀为载波的最大幅值，为载波初相位。

u₁经过前置电压放大器后生成高频电压信号u₂输出，此时前置电压放大器的电压增益 $\mathrm{\&alpha;}=20\log \left(\frac{u_2}{u_1}\right)$ 的大小受到信号处理器输出的控制信号控制。

高频电压信号u₂经高频功率放大器的功率放大后生成高频功率信号p_A输出。

高频功率信号p_A通过电磁水能量转换器将电磁能量转换成水质内能。当电磁水能量转换器采用第一种方式施放电磁能量时，绕制线圈的管段内部生成的磁感应强度B为

$B=N_1\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}+N_2\frac{{\mathrm{di}}_2}{\mathrm{dt}}$ (公式三)

其中：i₁、i₂分别为流经两个线圈的高频电流，N₁、N₂分别为两个线圈的匝数，对应的载波频率分别为f₀+f_d和f₀-f_d，当电磁水能量转换器采用第二种方式施放电磁能量时，电极棒与管壁之间的水介质磁感应强度B为

$B={\mathrm{\&mu;}}_0(k_1{\hat{p}}_A\frac{R^2}{r^2}+M)$ (公式四)

其中：μ₀为真空磁导率，

为高频功率放大器输出的高频能量作用在电极棒上的有效功率，当高频功率放大器输出传输线较短，如小于1m范围内，可以不计传输辐射损失，近似认为 ${\hat{p}}_A=p_A,$ R为水管内壁半径，r为水分子与电极棒的距离，k₁为比例系数，M为水分子磁化程度。

流经上述水处理管段内的水流在磁感应强度B的作用下受到磁化处理，促使水分子聚集力下降，不形成大缔合状态的水分子团，而生成小缔合态或单个水分子，因此很容易被钙、镁离子所吸附，进而阻止了碳酸盐微晶面的形成和生长而形成极易被水流带走的絮状碳酸盐分子团，被高频能量激活的单个水分子极易通过微缝隙浸润和渗透到管道内壁原有的结垢层中产生高频率振荡，会使得水垢产生松散、脱落，随着微缝隙的不断扩大，最终会将管壁水垢清洗干净。与此同时，被高频磁场处理后的水分子还能够防止管壁的化学与电化学腐蚀，抑制微生物生长，具有杀菌、灭藻的功能。

第二过程，状态参数监测器通过直接检测：开关信号模块输出的、加在管路阻流件上下游两侧的导压孔管之间电压值，以及通过水流差压传感模块获得的管路阻流件上、下游两侧的压力差，来实现对两个水处理状态参数监测：

第一个水处理状态参数，即由水流差压传感模块输出的管路阻流件上、下游两侧的压力差，并将其经过第一模数转换模块后输送至信号处理器运算模块的第一信号通道；

第二个水处理状态参数，即由开关信号模块输出的、加在管路阻流件上下游两侧的导压孔管之间电压值，并将其经过第二模数转换模块后输送至信号处理器运算模块的第二信号通道。

第三过程，信号处理器对状态参数监测器传输过来的管路阻流件上下游两侧的导压孔管之间电压值和管路阻流件上下游两侧的水头压力差信号进行运算，从而能够获知当前水质电导和水流流量，在电磁水能量转换器能量转换方式固定的情况下，能够继续通过控制模块输出控制指令至前置电压放大器在一定调节范围内改变第一过程所输出的调幅波功率大小。具体步骤为：

第一决策计算，信号处理器利用经差压传感和模数转换所获取到的管路阻流件上、下游两侧的水头压力差，即水流差压Δp，计算此时流经管道的水流体积流量q_V

$q_V=k_2\sqrt{\mathrm{\&Delta;p}}$ (公式五)

其中：k₂为比例系数，由实验确定；

第二决策计算，信号处理器利用获取到的、由开关信号模块输出的加在管路阻流件上下游两侧的导压孔管之间电压值U，以及开关信号模块电源输入端口的稳定直流电压值U₀、输出回路上的电子开关器件导通压降U_S和串联标准电阻器的阻值R_e，计算此时流经被处理水的直流电流I

$I=\frac{U_0-U-U_S}{R_e}$ (公式六)

进而计算被处理水的电导G

$G=\frac{I}{U}=\frac{U_0-U-U_S}{{\mathrm{UR}}_e}$ (公式七)

第三决策计算，计算前置电压放大器应该选取的电压增益值，即

$\mathrm{\&alpha;}=\{\frac{q_V}{q_M}\&CenterDot;t[\frac{G_M}{G},1]+1\}{\mathrm{\&alpha;}}_0$ (公式八)

其中：q_M为水流额定最大体积流量，G_M被处理水流能够达到的最大电导，α₀为前置电压放大器的基础增益，其数值等于前置电压放大器最大增益α_M的

，即 ${\mathrm{\&alpha;}}_0=\frac{1}{2}{\mathrm{\&alpha;}}_M,$

表示和1的t-范数，如： $t[\frac{G_M}{G},1]=\min [\frac{G_M}{G},1]$ 就是t-范数的一种算法。

最后，信号处理器根据第三决策计算结果，由其控制模块输出控制信号来改变前置电压放大器增益的相应大小，从而达到最终作用于水质的合适且节能的高频功率放大器的功率信号输出。

本发明结构简单、现场安装维护方便且具有智能化节能的技术特点，与现有技术相比，使水管具有除垢、阻垢功能，而且除垢效率比恒定频率、恒定幅值的高频信号除垢效率提高了30％，能够防止管壁的化学与电化学腐蚀，抑制微生物生长，具有杀菌、灭藻的功能，比前置电压放大器增益不可控装置节能50％以上。

附图说明

图1为本发明装置系统结构示意图；

图2为本发明中高频调制波发生器系统结构示意图；

图3为本发明中前置电压放大器电路结构示意图；

图4为本发明中高频功率放大器电路结构示意图；

图5为本发明中状态参数监测器结构示意图；

图6为本发明中时钟模块与开关信号模块的电路基本结构图；

图7为电磁水能量转换器在多个高频功率放大器下的设置方式示意图；

图8为电极棒安装后的轴向视图；

图9为本发明水处理方法信号流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：高频调制波发生器1、前置电压放大器2、高频功率放大器3、电磁水能量转换器4、状态参数监测器5、信号处理器6和稳压电源7，其中：高频调制波发生器1的输出接口与前置电压放大器2的输入接口连接，前置电压放大器2的输出接口与高频功率放大器3的输入接口连接，高频功率放大器3的输出接口与电磁水能量转换器4的输入接口连接，状态参数监测器5的输出接口与信号处理器6的输入接口连接，信号处理器6的第一输出接口与前置电压放大器2的控制信号输入接口连接，信号处理器6的第二输出接口与状态参数监测器5的信号输入接口连接，稳压电源7分别与高频调制波发生器1、前置电压放大器2、高频功率放大器3、状态参数监测器5、信号处理器6的电源输入端口连接。

所述的状态参数监测器5用于监测水处理过程的水管阻力段的水流差压和加在水管阻力段上下游两侧的测压点之间的直流电压值，

所述的稳压电源7输出的直流电压电源信号，包括：12V、6V、5V、-8V、-12V直流电压输出，其中：稳压电源7的12V电压供前置电压放大器2、高频功率放大器3、状态参数监测器5、信号处理器6，高频调制波发生器1中的高频振荡模块11电源电压为6V，锯齿波振荡模块12的电源电压为12V和-12V，振幅调制模块13的电源电压为12V和-8V，高频放大模块14的电源电压为12V，5V电压是专供信号处理器中时钟模块61的电源。

如图2所示，所述的高频调制波发生器1，包括：高频振荡模块11、锯齿波振荡模块12、振幅调制模块13和高频放大模块14，其中：高频振荡模块11的输出端口连接至振幅调制模块13的载波信号输入端口，锯齿波振荡模块12的输出端口连接至振幅调制模块13的调制信号输入端口，振幅调制模块13的输出端口连接至高频放大模块14的输入端口，高频放大模块14的输出端口即高频调制波发生器1的输出接口。

所述的高频振荡模块11输出的高频信号和锯齿波振荡模块12输出的锯齿波电压信号分别通过振幅调制模块13的载波信号输入端口和调制信号输入端口送至振幅调制模块后，实现锯齿波电压信号对高频信号的振幅调制。所述高频振荡模块11中的核心器件——高频振荡管采用模拟集成芯片μPC1651，通过选用的电感器、固定电容器及微调电容器构成LC三点式振荡回路，输出高频信号频率确定为f₀＝11.5MHz。所述锯齿波振荡模块12，是利用RC积分电路的正向积分时间常数远大于反向积分时间常数、或者反向积分时间常数远大于正向积分时间常数的电路特性所引起在电容器上的不同充放电效应，使得RC积分电路在电阻R上的电压降呈现上升和下降斜率相差很大的效果，因此获得锯齿波形态的输出电压信号，锯齿波频率f_d＝0.5MHz。

所述的振幅调制模块13在接收到高频信号和锯齿波电压信号还会产生混频效应，在振幅调制模块13的输出端口形成两种载波频率的信号输出：第一，以原载波与调制波两者频率之和为新生成的载波频率的调幅信号，第二，以载波与调制波两者频率之差为新生成的载波频率的调幅信号，所述的振幅调制模块13所生成的两种载波频率的调幅波信号通过其输出端口输送至高频放大模块14进行高频信号放大以提高两种调幅波信号的电压增益。所述振幅调制模块13中核心器件——调幅器采用LM1496集成芯片；当进行调幅时，载波信号通过LM1496集成芯片信号输入端口至LM1496内核的两组差分对，而且两组差分对的恒流源又组成了一对差分电路，恒流源的控制电压可正可负，因此实现了四象限模拟乘法器的工作方式。经过振幅调制模块13调制后，同时生成载波频率为f₀+f_d＝12MHz和f₀-f_d＝11MHz的两种调制波信号输出。

如图3所示，所述的前置电压放大器2包括：共源放大器M1和M2、共栅晶体管M3、M4、M5和M6，其中：前置电压放大器2的输入接口包括：第一输入端点21和第二输入端点22，前置电压放大器2的控制电压输入接口包括：第三端点23和第四端点24，端点25与26构成前置电压放大器2的输出接口，前置电压放大器2采用信号相加式结构，该结构使用模拟信号控制增益，增益连续可调，电路中差分对管M1、M2为工作在饱和区的共源放大器，负责将输入端的高频电压信号转变为高频电流信号并提供增益，信号相加式可变增益放大器通过改变控制电压输入接口的两个端点23与24之间的电位差，即可调节信号电流在M3、M4与M5、M6之间的分配，以实现增益的单调连续可调。nMOS晶体管管M3、M4、M5与M6工作在共栅状态。

如图4所示，为所述的高频功率放大器3的电路结构，是一种F类功率放大器，此类放大器适合高频功率放大，其负载网络有两个LC并联谐振回路，分别谐振于上述两个载波频率，即f₀+f_d和f₀-f_d，其中：端点31与接地端点构成高频功率放大器3的输入接口，线圈32与33分别为谐振于f₀+f_d和f₀-f_d的两个电感线圈。

如图5和6所示，为所述的状态参数监测器5的电路结构，该状态参数检测器5包括：水流差压传感模块51、信号调理模块52、第一模数转换模块53、第二模数转换模块54和开关信号模块55，其中：水流差压传感模块51的输入接口连接第一导压孔管71和第二导压孔管72的后端，第一导压孔管71和第二导压孔管72的感压前端分别安装于水管阻力段的上、下游两侧且通过绝缘橡皮圈73与金属水管壁绝缘，水流差压传感模块51的输出端口与信号调理模块52的输入端口连接，信号调理模块52的输出端口与第一模数转换模块53的输入端口连接。第一导压孔管71和第二导压孔管72的感压前端将感应到的水管阻力段的上、下游两侧水流差压通过导压孔管71与72传递到水流差压传感模块51的输入端口，水流差压传感模块51将管路阻流件上、下游侧的水流差压通过差压传感器件转换成一个与水流差压成正比的电压信号输出至信号调理模块52，代表水流差压的电压信号经过信号调理模块52的调理后，将提高了信噪比的信号输送至第一模数转换模块53转换成数字信号输出。开关信号模块55的电源接入端口连接至稳压电源7的对应电压输出端头，开关信号模块55的触发脉冲信号输入端口与信号处理器6的第二输出接口连接，开关信号模块55的输出端口的两个端点分别与水管阻力段的上下游两侧的导压孔管71与72连接，当开关信号模块55的触发脉冲信号输入端口接收到信号处理器6的触发脉冲信号时，开关信号模块55中的电子开关器件导通，将稳压电源7输出的直流电压通过与其串接标准电阻器的一个端点和接地端点即输出端口的两个端点74加到管路阻流件上下游两侧的导压孔管71与72之间，同时管路阻流件上下游两侧的导压孔管71与72之间两个端点的电压值通过开关信号模块55输出端口反馈至第二模数转换器54的输入端口。第一、二模数转换器53、54的数字信号输出端口即构成状态参数监测器5的输出接口。

如图6所示，为所述的状态参数监测器5的电路结构，该信号处理器6包括：运算模块62、时钟模块61和控制模块63，其中：运算模块62的输入端口即信号处理器6的输入接口，运算模块62的输出端口与控制模块63的输入端口连接，控制模块63的输出端口即信号处理器6的输出接口。

所述的时钟模块61，以晶体振荡器为基础生成时间脉冲序列，根据标准时间脉冲序列通过运算软件确定向状态参数监测器5开关信号模块55输出的触发脉冲信号周期，从而确定加在管路阻流件上下游两侧的导压孔管71与72之间电压开关信号的频率，具体电路结构是：以SD2203AP为核心芯片，SD2203AP是一种低功耗串行实时时钟芯片，具有时钟(时、分、秒)和日历(年、月、日、星期)功能，具有12小时制和24小时制两种计时模式。芯片以其体积小、功耗低、高精度、免调校、内置晶振、使用简单、I²C总线接口、两路定时中断输出为主要特点，图6示出SD2203AP与信号处理器6中的运算模块62接口电路，其中：SD2203AP的I²C总线上可以挂接多个MCU，是一个十分完善的多主系统总线，当信号处理器6中的运算模块62和控制模块63采用“51系列单片机”STC89C54来实现时，即STC89C54承担运算模块62和控制模块63的功能，对运算模块62的通用I/O口采用软件模拟I²C总线接口，能够很好地解决与SD2203AP的接口问题，SD2203AP的供电电路由D1、R1、D2以及+3V的电池、+5V的电源组成，+5V电源正常时，+5V电源经D1给SD2203AP供电，掉电时，3V电池经D2给SD2203AP供电，维持SD2203AP的正常运行，SD2203AP的SCL为串行时钟输入，与单片机STC89C54的P2.0端口连接，SDA为串行数据输入/输出，SDA与单片机STC89C54的P2.1端口相连以实现运算模块62与SD2203AP的数据通信，中断输出INT1、INT2分别与单片机STC89C54的中断输入口P3.3、P3.4相连。

所述的运算模块62的输入端口包含三个信号通道：第一信号通道接收来自状态参数监测器5第一模数转换模块53输出的数字信号，第二信号通道接收来自状态参数监测器5第二模数转换模块54输出的数字信号，第三信号通道接收时钟模块61时间脉冲序列信号。

所述的运算模块62承担的运算功能包括：水流流量、水质电导和状态参数监测器5开关信号模块55中的开关信号频率，并根据水流流量和水质电导计算出当前待处理水质需要的电磁场能量及其前置电压放大器2应该具有的电压增益，运算模块62将计算结果送入控制模块63，控制模块63根据运算结果生成相应的决策指令并转换为模拟信号分别输出至前置电压放大器2和状态参数监测器5开关信号模块55。

本实施例通过软件控制对开关信号模块进行每日开启一次实现对水质电导的检测，即开关周期T_C为一天24小时，且T_C＝T⁺+T^-＝10ms+86390ms，其中T⁺为检测所占用的正半周开通时刻，T^-为不检测所占用的负半周关闭时刻。

如图4和图7所示，为本实施例的多个高频功率放大器下的设置方式是：

第一种方式，在水管外壁46上绕制两个线圈32和33，两个线圈32和33的绕向相同，两个线圈32和33之间相隔的距离为管道标称直径的整数倍，当电磁水能量转换器4采取这种方式进行电磁能量向水分子内能的转换时，两个线圈32和33既是高频功率放大器3输出回路上的谐振电感线圈32和33(如图4所示)，又是电磁水能量转换器上电磁能量的发射线圈32和33(如图5所示)，两个线圈32和33的接线端点即为电磁水能量转换器4的输入接口端点，高频功率放大器3的两个输出谐振回路上两个电容器34、35的四个接线端点即为高频功率放大器3的输出接口端点，对应的线圈32、33与电容器34、35接线端点两两对接即分别构成高频功率放大器3谐振于两个载波频率f₀+f_d和f₀-f_d的两个输出谐振回路。

第二种方式，沿水管的中轴安放一根电极棒41和42，电极棒41和42的任意一个端点和电极棒41、42所处管段的水管外壁46上的电气接点43即为电磁水能量转换器4的输入接口，此时，高频功率放大器3已经包含谐振于两个载波频率的两个输出谐振回路，该两个谐振回路的交点44和高频功率放大器3的接地点即为其输出接口的端点。

为了增大泄放到水质中的电磁能量，除了采用提高高频功率放大器3输出功率外，还可以采用增加高频功率放大器3的数量及其对应的电磁水能量转换器4，在前置电压放大器2并行驱动下增加系统的功率输出，每个高频功率放大器3与电磁水能量转换器4的连接方式可以采用上述两种能量转换方式中的任意一种。当采用第一种方式时，在管路上的设置方式可以是在同一管段上诸如32与33那样继续间隔并排；当采用第二种方式时，也可以沿管路中轴方向上诸如41与42那样继续间隔串排。因此能够使得高频功率放大器3输出的两种大功率调制波能量通过高能电磁场的形式作用于待处理水质上。

必须指出，当采用第一种方式实施能量转换时，高频功率放大器3的结构形式已经转变，称之为高频功率放大器3a，当采用第二种方式实施能量转换时，高频功率放大器3的结构形式保持原始形式不变，称之为高频功率放大器3b。

如图8所示，所述电极棒41、42是通过连接法兰与水管外壁46固定，电极棒41、42与法兰之间通过锦纶管套47和十字架48进行机械连接，锦纶管套47套在电极棒41或42任意一个端头上，因此确保了电极棒41、42与周边金属材料的电气绝缘。

如图9所示，本实施例的自动水处理方法过程如下：

调制波信号对载波信号进行振幅调制后，生成双载波频率的、振幅按照锯齿波形态进行周期性脉动的调幅波信号；

调幅波信号经前置电压与功率放大后，输送致电磁水能量转换器，将双载波高频强电磁能量通过水处理管段泄放到水质中去；

对水质参数进行实时检测，并将检测到的水流流量和水质电导输送至信号处理器进行决策运算，在能量转换的结构形式固定的情况下，根据(公式八)确定调节前置电压增益的大小，进而调整输入至水处理管段中的电磁能量的大小，以达到水处理过程高效、节能的目的。

结果表明，本实施例安装于多项中央空调装置，对空调水循环系统的水质进行连续处理。经过连续三个月的观测，流经上述水处理管段内的水流在磁感应强度B的作用下受到磁化处理，促使水分子聚集力下降，不形成大缔合状态的水分子团，而生成小缔合态或单个水分子，阻止了碳酸盐微晶面的形成和生长，而且管壁原有水垢被清洗干净，与此同时，整个水循环系统管壁未出现化学与电化学腐蚀，也没有出现霉、藻现象。

 本实施例达到以下有益效果：第一，使水管具有除垢、阻垢功能，而且除垢效率比恒定频率、恒定幅值的高频信号除垢效率提高了30％，第二，能够防止管壁的化学与电化学腐蚀，抑制微生物生长，具有杀菌、灭藻的功能，第三，同等水处理效果的情况下，比前置电压放大器增益不可控装置节能50％以上，第四，高频信号输出功率实现自动化和智能化调节。

Claims (2)

1.一种高频电磁水净化系统，包括：高频调制波发生器、前置电压放大器、信号处理器和稳压电源，其特征在于，还包括：高频功率放大器、电磁水能量转换器和状态参数监测器，其中：高频调制波发生器的输出接口与前置电压放大器的输入接口连接，前置电压放大器的输出接口与高频功率放大器的输入接口连接，高频功率放大器的输出接口与电磁水能量转换器的输入接口连接，状态参数监测器的输出接口与信号处理器的输入接口连接，信号处理器的第一输出接口与前置电压放大器的控制信号输入接口连接，信号处理器的第二输出接口与状态参数监测器中的开关信号模块触发脉冲信号输入接口连接，稳压电源输出的直流电压电源信号分别与高频调制波发生器、前置电压放大器、高频功率放大器、状态参数监测器、信号处理器的电源输入端口连接，其中：所述高频调制波发生器，包括：高频振荡模块、锯齿波振荡模块、振幅调制模块和高频放大模块，其中：高频振荡模块的输出端口连接至振幅调制模块的载波信号输入端口，锯齿波振荡模块的输出端口连接至振幅调制模块的调制信号输入端口，振幅调制模块的输出端口连接至高频放大器的输入端口，高频放大模块的输出端口即高频调制波发生器的输出接口，所述的高频功率放大器为工作频率处于10～12MHz之间、输出功率大于50W的高频大功率晶体管组成的功率放大电路；所述的电磁水能量转换器是指设置于水管外壁的两组线圈或设置于水管内部的电极棒，两组线圈的绕向相同，两组线圈之间相隔的距离为管道标称直径的整数倍；所述的状态参数监测器，包括：水流差压传感模块、信号调理模块、第一模数转换模块、第二模数转换模块、导压孔管和开关信号模块，其中：水流差压传感模块的输出端口与信号调理模块的输入端口连接，信号调理模块的输出端口与第一模数转换模块的输入端口连接；开关信号模块的电源接入端口连接至稳压电源的对应电压输出端头，开关信号模块的触发脉冲信号输入端口与信号处理器的第二输出接口连接，开关信号模块的输出端口的两个端点分别与水管阻力段的上下游两侧的导压孔管连接；水流差压传感模块的输入接口连接两个导压孔管后端，两个导压孔管的感压前端分别安装于管路阻流件的上、下游两侧且与金属水管壁电气绝缘。

2.根据权利要求1所述的高频电磁水净化系统，其特征是，所述的前置电压放大器的电压增益控制方法是

$\mathrm{\&alpha;}=\{\frac{q_V}{q_M}\&CenterDot;t[\frac{G_M}{G},1]+1\}{\mathrm{\&alpha;}}_0$

其中：q_M为水流额定最大体积流量，G_M被处理水流能够达到的最大电导，α₀为前置电压放大器的基础增益，其数值等于前置电压放大器最大增益α_M的

即

表示和1的t-范数。

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