CN103341466B - 多频可切换的水下构建物清洗维护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频可切换的水下构建物清洗维护装置，其中，控制面板与控制器连接以实现双向信号传输；控制器的信号输出端分别与第一多路模拟开关组、第二多路模拟开关组和第三多路模拟开关组的控制信号输入端相连接；至少两个超声信号发生器，其输出端分别通过第一多路模拟开关组与隔离驱动模块选择性连接；隔离驱动模块的输出端与超声功率放大器相连接；超声功率放大器的输出端与阻抗匹配网络相连接。本发明能够实现至少两种频率的超声振动清洗，并且能够充分剥离水下构建物的污垢，提高了清洗效果，有效地降低了成本，提高了工作效率。

Description

多频可切换的水下构建物清洗维护装置

技术领域

本发明涉及一种多频可切换的水下构建物清洗维护装置，属于超声波清洗技术领域。

背景技术

目前，现代社会，同民生息息相关的水利事业不断蓬勃发展，但是各项水利工程在建设完毕后的维护过程中均面临一个问题，即大坝闸门、水管内壁等设备由于工作在水下，长年累月会产生水垢和其他杂质附作物而影响正常功能的发挥甚至造成设备损坏。如果在洪水到来时，闸门无法正常开启后果将不堪设想，同时若不能及时清洗闸门等水下大型设备则无法发现是否存在裂缝等安全隐患，给常规的安全检查造成极大不便。此外在进行疏通管道和排污作业时，水管内壁的顽固附作物也给工程施工造成巨大困难。目前，闸门或者水管内壁等水下工作设备的常用非超声清洗作业的方法有两种：1、第一种是使用高压射水进行清洗，此方法的缺点在于，若流速过快会造成压力过大，伤及油漆及构建物本身，但若减小流速，清洗效果就会大打折扣；2、第二种是只有在停工时清洗，在无水的情况下通过人工施以机械振动将水垢松动，然后高压射水进行清洗。使用这样的做法就必须停工，另一方面人工敲击力度大小难以准确把握，容易因用力过猛导致闸门或者水管损伤，还有一些特殊情况的闸门水管，存在施工困难等缺陷。

目前把超声技术应用于水下构建物的清洗作业的经验比较匮乏，虽然已经有人提出水下大型设备的超声清洗方法，但是由于超声清洗的频率单一，主要是工业清洗上常用的28kHz，而这一频率相对较低，对于水下设备的清洗比较粗糙，难以将凹槽部位的微小附作物剥离掉。而实际过程中，频率较高的超声在水下清洗中的效果比较细腻，更适合于在低频率超声进行清洗作业完毕后切换至较高频超声再次进行清洗作业，以实现对大坝等水下设备的完整保养和维护。另外，传统超声换能器的工作频率单一，如果使用双频，则意味着需要两个能在相应频率下工作的超声换能器，成本无疑会提高，所以使用一种能在两种频率下均较好工作的换能器能有效降低成本，同时保证清洗效果。

发明内容

 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种多频可切换的水下构建物清洗维护装置，它能够实现至少两种频率的超声振动清洗，并且能够充分剥离水下构建物的污垢，提高了清洗效果，有效地降低了成本，提高了工作效率。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：一种多频可切换的水下构建物清洗维护装置，它包括控制面板、控制器、第一多路模拟开关组、第二多路模拟开关组、第三多路模拟开关组、隔离驱动模块、超声功率放大器、阻抗匹配网络、多频超声波换能器、至少两个超声信号发生器和至少两个调谐电感；其中，控制面板，其与控制器连接以实现双向信号传输，用于接收并显示控制器传递的状态信息和用于改变工作频率并将工作频率信号传递给控制器；控制器，其信号输出端分别与第一多路模拟开关组、第二多路模拟开关组和第三多路模拟开关组的控制信号输入端相连接，用于接收控制面板传递的工作频率信号并产生相应的切换控制信号分别传递给第一多路模拟开关组、第二多路模拟开关组和第三多路模拟开关组；至少两个超声信号发生器，其输出端分别通过第一多路模拟开关组与隔离驱动模块选择性连接，用于分别输出不同频率的同频反相信号；第一多路模拟开关组，用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的超声信号发生器和隔离驱动模块；隔离驱动模块，其输出端与超声功率放大器相连接，用于驱动超声功率放大器正常工作；超声功率放大器，其输出端与阻抗匹配网络相连接；至少两个调谐电感，其输入端分别通过第二多路模拟开关组与阻抗匹配网络选择性连接，其输出端分别通过第三多路模拟开关组与多频超声波换能器选择性连接，并与超声信号发生器一一对应，用于对多频超声波换能器的调谐匹配；阻抗匹配网络，用于改变多频超声波换能器的阻抗，使其与信源阻抗相匹配，保证多频超声波换能器获得最大的电功率；第二多路模拟开关组，用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的调谐电感和阻抗匹配网络；第三多路模拟开关组，用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的调谐电感和多频超声波换能器。

进一步，所述的超声信号发生器有两个，并分别为第一超声信号发生器和第二超声信号发生器；所述的调谐电感有两个，并分别为第一调谐电感和第二调谐电感；第一超声信号发生器和第一调谐电感相对应，第二超声信号发生器和第二调谐电感相对应；所述的多频超声波换能器为双频超声波换能器；所述的第一多路模拟开关组、第二多路模拟开关组和第三多路模拟开关组均为两路。

进一步，所述的第一超声信号发生器输出频率为80KHZ的同频反相信号，所述的第二超声信号发生器输出频率为160KHZ的同频反相信号，所述的双频超声波换能器内具有中心频率分别为80KHZ和160KHZ的超声波压电陶瓷晶片。

更进一步，所述的隔离驱动模块由驱动电路和隔离变压器连接而成。

采用了上述技术方案后，采用多频超声换能器将超声波信号发生器产生的超声波电信号转换成机械振动，向闸门或者水管等水下构建物辐射超声波，促使超声空化形成，空化所产生的巨大压力能破坏不溶性污物，而使它们分散于溶液，达到清洗难溶物的效果，本发明采用至少两种频率的超声波清洗，并且可以控制选择，具有高低频率可切换的工作模式，低频率的工作模式清洗不干净，可以切换成高频率的工作模式清洗，与已有人工敲击或采用单一频率超声波换能器相比，清洗方便、高效，效果更好，无需停工，大大降低成本，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的多频可切换的水下构建物清洗维护装置的原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种多频可切换的水下构建物清洗维护装置，它包括控制面板1、控制器2、第一多路模拟开关组5、第二多路模拟开关组9、第三多路模拟开关组12、隔离驱动模块6、超声功率放大器7、阻抗匹配网络8、多频超声波换能器13、至少两个超声信号发生器和至少两个调谐电感；其中，

多频超声波换能器13，根据选择的工作频率信号，将超声波电信号转化为高频机械振动；多频超声波换能器13紧贴在用于防止装置进水的防水外壳内壁，在超声电信号的作用下振动并带动防水外壳振动，从而在水中产生超声空化作用，剥落构建物上的污垢，达到清洗的目。

控制面板1，其与控制器2连接以实现双向信号传输，用于接收并显示控制器2传递的状态信息和用于改变工作频率并将工作频率信号传递给控制器2；

控制器2，其信号输出端分别与第一多路模拟开关组5、第二多路模拟开关组9和第三多路模拟开关组12的控制信号输入端相连接，用于接收控制面板1传递的工作频率信号并产生相应的切换控制信号分别传递给第一多路模拟开关组5、第二多路模拟开关组9和第三多路模拟开关组12；至少两个超声信号发生器，其输出端分别通过第一多路模拟开关组5与隔离驱动模块6选择性连接，用于分别输出不同频率的同频反相信号；

第一多路模拟开关组5，用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的超声信号发生器和隔离驱动模块6；

隔离驱动模块6，其输出端与超声功率放大器7相连接，用于驱动超声功率放大器7正常工作；

超声功率放大器7，其输出端与阻抗匹配网络8相连接，它以MOSFET管为核心，MOSFET管的选用型号为IRFP460，构成逆变回路为半桥式的超声功率放大器7。

至少两个调谐电感，其输入端分别通过第二多路模拟开关组9与阻抗匹配网络8选择性连接，其输出端分别通过第三多路模拟开关组12与多频超声波换能器13选择性连接，并与超声信号发生器一一对应，用于对多频超声波换能器13的调谐匹配，使多频超声波换能器的电路尽量接近纯阻状态，调谐电感以PQ-28型骨架，E-E型铁氧体，丝包线绕制的电感构成，通过改变匝数来调整电感值，以实现在不同频率下与多频超声波换能器13匹配。

阻抗匹配网络8，用于改变多频超声波换能器13的阻抗，使其与信源阻抗相匹配，保证多频超声波换能器13获得最大的电功率；第二多路模拟开关组9，用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的调谐电感和阻抗匹配网络8，匹配网络电路8为一个以PQ-28型骨架、E-E型铁氧体和丝包线绕制的变压器构成。

第三多路模拟开关组12，用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的调谐电感和多频超声波换能器13。

超声信号发生器有两个，并分别为第一超声信号发生器3和第二超声信号发生器4；

调谐电感有两个，并分别为第一调谐电感10和第二调谐电感11；第一超声信号发生器3和第一调谐电感10相对应，第二超声信号发生器4和第二调谐电感11相对应；多频超声波换能器13为双频超声波换能器；第一多路模拟开关组5、第二多路模拟开关组9和第三多路模拟开关组12均为两路。

控制器2可以选用型号为MSP430F149，超声信号发生器可以选用型号为SG3525。

通过改变SG3525震荡器引脚电阻值，使第一超声信号发生器3输出频率为80KHZ的同频反相信号，第二超声信号发生器4输出频率为160KHZ的同频反相信号，双频超声波换能器内具有中心频率分别为80KHZ和160KHZ的超声波压电陶瓷晶片。

隔离驱动模块6由驱动电路和隔离变压器连接而成。驱动电路以TIP122芯片NPN达林顿功率晶体管和TIP127芯片PNP达林顿功率晶体管为核心构成，达到驱动MOSFET管的目的。隔离变压器用PQ-26型骨架，E-E型磁芯，0.27mm直径漆包线绕制而成，原副线圈匝数比为1:1，一输入二输出形式，两输出的缠绕方向反相，以产生两同频反相的信号。

实施例的工作原理如下：

首先将封装有多频超声波换能器13的清洗外壳置入水中并紧靠在待清洗的构建物表面，通过控制面板1可设置频率为80kHz或160kHz，初始清洗频率设置为80kHz，控制器2接收到相应信号控制第一多路模拟开关组5连接第一超声信号发生器3，同时控制第二多路模拟开关组9、第三多路模拟开关组12分别连接第一调谐电感10的输入端和输出端，第一超声信号发生器3产生80kHZ两路同频反相峰值为5V的单极方波信号，经第一多路模拟开关组5传送至隔离驱动模块6中的驱动电路，两路同频反相峰值为5V的单极方波信号放大整形为一路峰值为12V的双极方波信号，信号经由隔离变压器分成两路同频反相信号，驱动与其相连的超声功率放大电路7，超声功率放大器7源电压为220V交流电整流滤波后的电压（340V左右），将其放大后送入阻抗匹配网络8，用于实现与多频超声波换能器13电路的阻抗匹配，阻抗匹配网络8输出端连接第二多路模拟开关组9，频率为80kHz时第二多路模拟开关组9连接第一调谐电感10，第一调谐电感10用于实现与多频超声波换能器13的调谐匹配，第一调谐电感10输出端经第三多路模拟开关组12连接多频超声波换能器13输入端，在超声电信号的作用下多频超声波换能器13将输入的超声电信号转化为高频机械振动并带动清洗壳振动，从而在水中产生超声空化作用，剥落构建物上的污垢。

前述清洗频率相对较低，对于水下设备的清洗比较粗糙，难以将凹槽部位的微小附作物剥离掉，因而在前述清洗一段时间后切换至较高频率即160kHz进行清洗，通过控制面板1设置频率为160kHz，控制器2接收到相应信号控制第一多路模拟开关组5切换至第二超声信号发生器4，控制第二多路模拟开关组9、第三多路模拟开关组12分别连接第二调谐电感11的输入端和输出端，第二超声信号发生器4产生160kHz两路同频反相峰值为5V的单极方波信号，经第一多路模拟开关组5传送至隔离驱动模块6中的驱动电路，两路同频反相峰值为5V的单极方波信号放大整形为一路峰值为12V的双极方波信号，信号经由隔离变压器分成两路同频反相信号，驱动与其相连的超声功率放大电路7，超声功率放大器7源电压为220V交流电整流滤波后的电压（340V左右），将其放大后送入阻抗匹配网络8，用于实现与多频超声波换能器13电路的阻抗匹配，阻抗匹配网络8连接第二多路模拟开关组9，频率为160kHz时第二多路模拟开关组9、第三多路模拟开关组12连接第二调谐电感11，第二调谐电感11用于实现与多频超声波换能器13的调谐匹配，第二调谐电感11输出端经第三多路模拟开关组12连接至多频超声波换能器13，在超声电信号的作用下多频超声波换能器13将输入的超声电信号转化为高频机械振动并带动清洗壳振动，从而在水中产生超声空化作用，剥落构建物上的污垢，最终达到清洗维护水下构建物的目的。 

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多频可切换的水下构建物清洗维护装置，其特征在于：它包括控制面板（1）、控制器（2）、第一多路模拟开关组（5）、第二多路模拟开关组（9）、第三多路模拟开关组（12）、隔离驱动模块（6）、超声功率放大器（7）、阻抗匹配网络（8）、多频超声波换能器（13）、至少两个超声信号发生器和至少两个调谐电感；其中，

控制面板（1），其与控制器（2）连接以实现双向信号传输，用于接收并显示控制器（2）传递的状态信息和用于改变工作频率并将工作频率信号传递给控制器（2）；

控制器（2），其信号输出端分别与第一多路模拟开关组（5）、第二多路模拟开关组（9）和第三多路模拟开关组（12）的控制信号输入端相连接，用于接收控制面板（1）传递的工作频率信号并产生相应的切换控制信号分别传递给第一多路模拟开关组（5）、第二多路模拟开关组（9）和第三多路模拟开关组（12）；

至少两个超声信号发生器，其输出端分别通过第一多路模拟开关组（5）与隔离驱动模块（6）选择性连接，用于分别输出不同频率的同频反相信号；

第一多路模拟开关组（5），用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的超声信号发生器和隔离驱动模块（6）；

隔离驱动模块（6），其输出端与超声功率放大器（7）相连接，用于驱动超声功率放大器（7）正常工作；

超声功率放大器（7），其输出端与阻抗匹配网络（8）相连接；

至少两个调谐电感，其输入端分别通过第二多路模拟开关组（9）与阻抗匹配网络（8）选择性连接，其输出端分别通过第三多路模拟开关组（12）与多频超声波换能器（13）选择性连接，并与超声信号发生器一一对应，用于对多频超声波换能器（13）的调谐匹配；

阻抗匹配网络（8），用于改变多频超声波换能器（13）的阻抗，使其与信源阻抗相匹配，保证多频超声波换能器（13）获得最大的电功率；

第二多路模拟开关组（9），用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的调谐电感和阻抗匹配网络（8）；

第三多路模拟开关组（12），用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的调谐电感和多频超声波换能器（13）。

2.根据权利要求1所述的多频可切换的水下构建物清洗维护装置，其特征在于：所述的超声信号发生器有两个，并分别为第一超声信号发生器（3）和第二超声信号发生器（4）；所述的调谐电感有两个，并分别为第一调谐电感（10）和第二调谐电感（11）；第一超声信号发生器（3）和第一调谐电感（10）相对应，第二超声信号发生器（4）和第二调谐电感（11）相对应；所述的多频超声波换能器（13）为双频超声波换能器；所述的第一多路模拟开关组（5）、第二多路模拟开关组（9）和第三多路模拟开关组（12）均为两路。

3.根据权利要求2所述的多频可切换的水下构建物清洗维护装置，其特征在于：所述的第一超声信号发生器（3）输出频率为80KHZ的同频反相信号，所述的第二超声信号发生器（4）输出频率为160KHZ的同频反相信号，所述的双频超声波换能器内具有中心频率分别为80KHZ和160KHZ的超声波压电陶瓷晶片。

4.根据权利要求1或2或3所述的多频可切换的水下构建物清洗维护装置，其特征在于：所述的隔离驱动模块（6）由驱动电路和隔离变压器连接而成。