CN103537456A - 功率可调的水下构建物清洗维护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率可调的水下构建物清洗维护装置，它包括超声信号发生器、驱动隔离电路、超声功率放大电路、匹配网络、调谐电感、压力传感器、控制器、控制面板、调压器和换能器；其中，压力传感器安装在换能器上，用于感应能够反映换能器所在水深的水压信号并将其经过A/D转换电路转换后传递至控制器；控制器根据水压信号产生换能器深度信息输出至控制面板；调压器与超声功率放大电路的电压输入端相连接，用于根据控制面板显示的换能器深度信息调节超声功率放大电路的电压输入值。本发明不仅实现了对深水构建物的大面积高效清洗，并且清洗功率可调，避免了随深度增加清洗效果变差和因功率过大对构建物表面造成破坏的现象，能实现对大坝等构建物的完整保养和维护，显著提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率可调的水下构建物清洗维护装置，属于超声清洗技术领域。
背景技术
目前，当今社会，随着人们对新能源的探索，水利事业得到不断发展，但闸门、大坝坝体等设备由于长期浸在水下，其表面生长的水垢和其他附着物影响了正常功能发挥，另外由于附着物的覆盖，无法发现水下大型设备是否存在裂缝等安全隐患，给常规的安全检查带来极大不方便，最终造成设备损坏。
现有技术对闸门、大坝坝体等水下构建物的清洗主要方法是停工、防水或抬离水面后通过人工敲击的方式，另加高压射水进行清洗，这样需要工程停工，且易对构建物表面造成损坏。因此研究一种高效、无污染、能在工程正常工作状态下对其进行安全清洗的装置显得尤为重要。借用超声洗牙的基本原理，已经能够对实现对水中的石块用超声波进行清洗，但对深水构建物利用超声波进行大面积清洗，尚未见报道。
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，提供一种功率可调的水下构建物清洗维护装置，它不仅实现了对深水构建物的大面积高效清洗，并且清洗功率可调，避免了随深度增加清洗效果变差和因功率过大对构建物表面造成破坏的现象，能实现对大坝等构建物的完整保养和维护，显著提高工作效率。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种功率可调的水下构建物清洗维护装置，它包括超声信号发生器、驱动隔离电路、超声功率放大电路、匹配网络、调谐电感、压力传感器、控制器、控制面板、调压器和换能器；其中，
超声信号发生器，其输出端与驱动隔离电路相连接，用于输出同频反相信号；
驱动隔离电路，其输出端与超声功率放大电路相连接，用于接收同频反相信号并驱动超声功率放大电路正常工作；
超声功率放大电路，其输出端与匹配网络相连接；
匹配网络，其输出端与调谐电感相连接，用于变换换能器的阻抗，使其与信源阻抗相匹配；
调谐电感，其输出端与换能器相连接，用于对换能器的调谐匹配；
压力传感器，其安装在换能器上，用于感应能够反映换能器所在水深的水压信号并将其传递给A/D转换电路，经过A/D转换电路转换后传递至控制器；
控制器，其根据接收到的水压信号产生换能器深度信息输出至控制面板；
控制面板，其与控制器连接以实现双向信号传输，其用于接收并显示控制器传递的换能器深度信息；
调压器，其与超声功率放大电路的电压输入端相连接，用于根据控制面板显示的换能器深度信息调节超声功率放大电路的电压输入值。
进一步提供一种通过人工手动调节换能器清洗功率的模式结构，所述的调压器为手动调节模式，通过手动调节调压器改变超声功率放大电路的电压输入值。
进一步提供了一种通过控制器自动调节换能器清洗功率的模式结构，功率可调的水下构建物清洗维护装置还包括与调压器的线圈相活动连接以便改变调压器的线圈匝数比的步进电机，该步进电机的控制输入端与控制器相连接，控制器还用于根据接收到的相应水压信号产生相应的步进电机驱动信号传递给步进电机使其产生相应的动作。
进一步提供了一种换能器的结构以便进行大面积清洗，所述的换能器具有阶梯变幅杆，阶梯变幅杆由主体部分和前端聚焦部分组成，主体部分和前端聚焦部分的连接处设置有过渡圆弧，前端聚焦部分的宽度为D，过渡圆弧的半径为R=0.6D，前端聚焦部分的厚度为d=0.25D。
进一步，所述的阶梯变幅杆由不锈钢或铝合金材料制成。
进一步，所述的超声信号发生器输出频率为15kHZ的同频反相信号。
进一步为了提高信号的驱动能力，利于驱动后续的超声功率放大电路，所述的驱动隔离电路包括全桥逆变电路和隔离变压器，隔离变压器具有一个输入端和两个输出端，并且两个输出端的线圈缠绕方向反相，全桥逆变电路的输入端与超声信号发生器的输出端相连接，隔离变压器的输入端与全桥逆变电路的输出端相连接，隔离变压器的两个输出端分别与超声功率放大电路相连接。
更进一步，所述的超声功率放大电路为半桥型D类功率放大电路。
采用了上述技术方案后，本发明功率可调的水下构建物清洗维护装置，通过调压器来改变功率放大电路的源电压来相应地改变换能器的工作功率，以解决随深度增加清洗效果变差的缺陷，也防止了因功率过大对构建物表面造成破坏的现象，采用换能器向闸门或大坝坝体等清洗物件辐射超声波，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，与已有人工敲击相比，清洗方便、高效，效果更好，工程无需停工，大大降低成本，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的功率可调的水下构建物清洗维护装置的原理框图；
图2为本发明的换能器的主视图；
图3为图2的俯视图。
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，一种功率可调的水下构建物清洗维护装置，它包括超声信号发生器、驱动隔离电路、超声功率放大电路、匹配网络、调谐电感、压力传感器、控制器、控制面板、调压器和换能器；其中，
超声信号发生器，其输出端与驱动隔离电路相连接，用于输出同频反相信号；超声信号发生器可以选用SG3525集成PWM控制芯片，所输出超声信号频率为15kHz。
驱动隔离电路，其输出端与超声功率放大电路相连接，用于接收同频反相信号并驱动超声功率放大电路正常工作；
超声功率放大电路，其输出端与匹配网络相连接；
匹配网络，其输出端与调谐电感相连接，用于变换换能器的阻抗，使其与信源阻抗相匹配，保证换能器获得最大的电功率；匹配网络由阻抗匹配变压器构成，阻抗匹配变压器的原、副匝数比为1:1，采用PQ-28型骨架，E-E型铁氧体，由高频纱包线绕制而成。
调谐电感，其输出端与换能器相连接，用于对换能器的调谐匹配，使换能器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，丝包线绕制而成，通过改变匝数来调整电感值，以实现在不同频率下与换能器匹配。
压力传感器，其安装在换能器上，用于感应能够反映换能器所在水深的水压信号并将其传递给A/D转换电路，经过A/D转换电路转换后传递至控制器；压力传感器可以采用PTG501防水压力传感器，其采用高精度、高稳定性电阻应变计做为变送器的感压芯片，全封焊结构，量程为100Kpa—0.6Mpa，环境温度为-20~85℃。
控制器，其根据接收到的水压信号产生换能器深度信息输出至控制面板；
控制面板，其与控制器连接以实现双向信号传输，其用于接收并显示控制器传递的换能器深度信息；
调压器，其与超声功率放大电路的电压输入端相连接，用于根据控制面板显示的换能器深度信息调节超声功率放大电路的电压输入值。
换能器，把超声电信号转化为高频振动。
调压器可以为手动调节模式，通过手动调节调压器改变超声功率放大电路的电压输入值。
调压器也可以为自动调节模式，功率可调的水下构建物清洗维护装置还包括与调压器的线圈相活动连接以便改变调压器的线圈匝数比的步进电机，该步进电机的控制输入端与控制器相连接，控制器还用于根据接收到的相应水压信号产生相应的步进电机驱动信号传递给步进电机使其产生相应的动作。控制面板上还可以直接调节步进电机驱动信号。步进电机的型号为42BYGH801，步矩角为1.8度，相电压为12V，相电流为0.4A，相电阻为30Ω，静力炬为5320g.cm，定位力炬为280g.cm。
调压器可以选用单相接触式调压器，型号为TDGC2-3KVA，既可以通过控制器所控制的步进电机来改变一次和二次线圈匝数比，也可以通过手动旋转来调节，其输出端电压变化范围为[220V,250V]，变化间隔为10V。
如图2、3所示，换能器具有阶梯变幅杆1，阶梯变幅杆1由主体部分1-1和前端聚焦部分1-2组成，主体部分1-1和前端聚焦部分1-2的连接处设置有过渡圆弧1-3，前端聚焦部分1-2的宽度为D，过渡圆弧1-3的半径为R=0.6D，前端聚焦部分1-2的厚度为d=0.25D。变幅杆长度L=N×λ/2，例如前端聚焦部分1-2的宽度为DD=28cm，则变幅杆长度L=34cm，过渡圆弧1-3半径R=16.8cm，前端聚焦部分1-2的厚度d=7cm。阶梯变幅杆1可以由不锈钢或铝合金材料制成。
为了提高信号的驱动能力，利于驱动后续的超声功率放大电路，驱动隔离电路，用于隔离超声信号发生器和超声功率放大电路，包括全桥逆变电路和隔离变压器，其中，全桥逆变电路的每一半桥的上管为NPN达林顿功率晶体管TIP122，下管为PNP达林顿功率晶体管TIP127，增加超声信号的功率，提高信号的驱动能力，利于驱动后续的超声功放电路；隔离变压器采用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，隔离变压器具有一个输入端和两个输出端，并且两个输出端的线圈缠绕方向反相，全桥逆变电路的输入端与超声信号发生器的输出端相连接，隔离变压器的输入端与全桥逆变电路的输出端相连接，隔离变压器的两个输出端分别与超声功率放大电路相连接。
超声功率放大电路为半桥型D类功率放大电路，其以IRFP460作为核心芯片，用于功率放大超声驱动信号，由若干电阻电容组成的RC吸收电路和由IRFP460功率开关管组成的桥臂构成，隔离变压器的两个输出端分别产生两个同频反相的信号使半桥型D类功率放大电路的上、下功率开关管交替导通工作。
换能器的主体部分采用钢体金属外壳，具有较好的耐压性和散热性，所能承受最大功率达2500W，在超声信号的作用下，在水中产生超声空化作用，剥落构建物上的污垢，可以达到大面积清洗的目的。
首先将换能器和压力传感器置入水中并将换能器前端紧靠在待清洗的构建物表面，根据控制面板显示的换能器深度值手动旋转调压器，调压器输出电压的调整规则可以是：当换能器所在深度为0-10米之间时，调压器输出端的电压为220V，此时超声功率放大器的功率为2200W，随换能器的深度增加到10-20米，调压器输出端的电压变为230V，此时换能器功率为2300W，即换能器深度每增加10米，调压器输出端的电压相应增加10V，换能器工作功率相应增加100W，解决了随深度增加清洗效果变差的缺陷，调压器输出电压范围[220V，250V]，即换能器最大正常工作功率为2500W；反之，换能器每上升10米，调压器输出端的电压相应减小10V，以防止因换能器功率过大对构建物表面造成损坏，将超声信号发生器的清洗频率设置为15kHz，打开控制面板上的装置总开关，产生的15kHz同频反相方波信号，经由驱动隔离电路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，例如当换能器深度为0-10米之间时，超声功率放大器源电压为220V交流电整流滤波后的电压（340V左右），将其放大后送入匹配网络，用于实现与换能器电路的阻抗匹配，匹配网络输出端连接调谐电感用于实现与换能器的共轭调谐匹配，最终输出的超声波电能信号驱动换能器，在超声信号的作用下在水中产生超声空化作用，剥落构建物上的污垢。工作过程中，当换能器深度改变时，控制器根据压力传感器的采样信号自动控制步进电机的旋转来改变调压器的输出电压，进而对换能器的工作功率进行相应的改变，最终达到清洗维护构建物的目的。
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 (9)
1.一种功率可调的水下构建物清洗维护装置，其特征在于：它包括超声信号发生器、驱动隔离电路、超声功率放大电路、匹配网络、调谐电感、压力传感器、控制器、控制面板、调压器和换能器；其中，
超声信号发生器，其输出端与驱动隔离电路相连接，用于输出同频反相信号；
驱动隔离电路，其输出端与超声功率放大电路相连接，用于接收同频反相信号并驱动超声功率放大电路正常工作；
超声功率放大电路，其输出端与匹配网络相连接；
匹配网络，其输出端与调谐电感相连接，用于变换换能器的阻抗，使其与信源阻抗相匹配；
调谐电感，其输出端与换能器相连接，用于对换能器的调谐匹配；
压力传感器，其安装在换能器上，用于感应能够反映换能器所在水深的水压信号并将其传递给A/D转换电路，经过A/D转换电路转换后传递至控制器；
控制器，其根据接收到的水压信号产生换能器深度信息输出至控制面板；
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换能器深度信息；
调压器，其与超声功率放大电路的电压输入端相连接，用于根据控制面板显示的换能器深度信息调节超声功率放大电路的电压输入值。
2.根据权利要求1所述的功率可调的水下构建物清洗维护装置，其特征在于：所述的调压器为手动调节模式，通过手动调节调压器改变超声功率放大电路的电压输入值。
3.根据权利要求1所述的功率可调的水下构建物清洗维护装置，其特征在于：还包括与调压器的线圈相活动连接以便改变调压器的线圈匝数比的步进电机，该步进电机的控制输入端与控制器相连接，控制器还用于根据接收到的相应水压信号产生相应的步进电机驱动信号传递给步进电机使其产生相应的动作。
4.根据权利要求2所述的功率可调的水下构建物清洗维护装置，其特征在于：还包括与调压器的线圈相活动连接以便改变调压器的线圈匝数比的步进电机，该步进电机的控制输入端与控制器相连接，控制器还用于根据接收到的相应水压信号产生相应的步进电机驱动信号传递给步进电机使其产生相应的动作。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率可调的水下构建物清洗维护装置，其特征在于：所述的换能器具有阶梯变幅杆（1），阶梯变幅杆（1）由主体部分（1-1）和前端聚焦部分（1-2）组成，主体部分（1-1）和前端聚焦部分（1-2）的连接处设置有过渡圆弧（1-3），前端聚焦部分（1-2）的宽度为D，过渡圆弧（1-3）的半径为R=0.6D，前端聚焦部分（1-2）的厚度为d=0.25D。
6.根据权利要求5中任一项所述的功率可调的水下构建物清洗维护装置，其特征在于：所述的阶梯变幅杆（1）由不锈钢或铝合金材料制成。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的功率可调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输出频率为15kHZ的同频反相信号。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的功率可调的水下构建物清洗维护装置，其特征在于：所述的驱动隔离电路包括全桥逆变电路和隔离变压器，隔离变压器具有一个输入端和两个输出端，并且两个输出端的线圈缠绕方向反相，全桥逆变电路的输入端与超声信号发生器的输出端相连接，隔离变压器的输入端与全桥逆变电路的输出端相连接，隔离变压器的两个输出端分别与超声功率放大电路相连接。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的功率可调的水下构建物清洗维护装置，其特征在于：所述的超声功率放大电路为半桥型D类功率放大电路。
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