CN103964584A

CN103964584A - 可稳定工作电流的电磁阻垢除垢装置

Info

Publication number: CN103964584A
Application number: CN201410087563.9A
Authority: CN
Inventors: 陈奇; 尚明健; 王林高; 赵炳春; 宋振放; 袁超; 蒋浩
Original assignee: Huaiyin Institute of Technology
Current assignee: Changshu intellectual property operation center Co.,Ltd.
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2034-03-11
Also published as: CN103964584B

Abstract

本发明公开了一种可稳定工作电流的电磁阻垢除垢装置，包括降压整流及滤波电路、稳压电路，中央控制器，电压检测电路，电流检测电路，数字电位器和驱动电路，数字电位器的输出端连接有调压扩流电路，驱动电路的输出端连接有H桥功率电路，H桥功率电路与调压扩流电路的输出端相连接，H桥功率电路的输出端连接有阻垢除垢负载线圈，阻垢除垢负载线圈卷绕在导流管上，电流检测电路连接在所述H桥功率电路与阻垢除垢负载线圈之间的连线上。本发明的结构简单，阻垢除垢效率较高，而且适用范围较广，通过采用PID控制方法调节系统工作电流，系统工作电流的稳定性提高，调节可调节性能强，可有效的扩大输出功率，提高阻垢、除垢效率，实用性好。

Description

可稳定工作电流的电磁阻垢除垢装置

技术领域

本发明属于管道水垢处理装置技术领域，具体涉及一种可稳定工作电流的电磁阻垢除垢装置。

背景技术

电磁阻垢除垢装置主要用于解决现存电磁阻垢除垢装置工作时输出电压固定，而随着频率的增加，负载阻抗增加，输出电流急剧降低，使产生的电磁场十分微弱，阻垢除垢效用下降，进而影响除垢效果的问题。

当电磁阻垢除垢装置在工作时，由于所带的负载线圈呈感性，输出电流会随输出频率的升高而降低，这一点在工作频率高、所带负载电感较大时尤其明显，当输出频率足够高时，输出电流将低于正常工作电流，当电流降低到一定值时，阻垢除垢装置对水的极化效果将大打折扣，此时将不具备正常的工作效果。此外，目前大多数电磁阻垢除垢装置存在的问题是仅仅对单片机的输出信号进行功率放大，而不考虑电磁阻垢除垢装置在工作时受到的干扰因素，由于外接的线圈呈感性，工作时水质、水的流速等因素会对装置造成影响，使得阻垢除垢装置的工作效率降低，特别是当装置工作在高频、大功率模式下这种现象更为明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，工作电流稳定且使用便捷的可稳定工作电流的电磁阻垢除垢装置。

实现本发明目的的技术方案是：一种可稳定工作电流的电磁阻垢除垢装置，包括与市电相连接的降压整流及滤波电路、与所述降压整流及滤波电路输出端相连接的稳压电路，与所述稳压电路输出端相连接的中央控制器，与所述中央控制器的信号输入端相连接的电压检测电路和电流检测电路，与所述中央控制器的输出端相连接的数字电位器和驱动电路，所述数字电位器的输出端连接有调压扩流电路，所述调压扩流电路的电源端与所述降压整流及滤波电路相连接，所述驱动电路的输出端连接有H桥功率电路，所述H桥功率电路的输入端与所述调压扩流电路的输出端相连接，所述H桥功率电路的输出端连接有阻垢除垢负载线圈，所述阻垢除垢负载线圈卷绕在导流管上，所述电流检测电路连接在所述H桥功率电路与阻垢除垢负载线圈之间的连线上，所述电压检测电路包括第一电压检测电路和第二电压检测电路，所述第一电压检测电路电连接在所述降压整流及滤波电路与所述调压扩流电路之间的连线上，所述第二电压检测电路电连接在所述调压扩流电路与H桥功率电路之间的连线上。

还包括与所述中央控制器相连接的显示模块、存储模块、输入键盘和数据传输接口。

所述调压扩流电路包括与降压整流及滤波电路相连接的第一电阻、所述第一电阻输出端分别连接在第二电阻和TIP42三极管的发射极，所述第二电阻的另一端与所述TIP42三极管的基极相连接且所述TIP42三极管的基极分别连接有第一电容和正三端可调稳压器，所述TIP42的集电极与所述正三端可调稳压器的输出端相连后连接在H桥功率电路的输入端上，在所述第一电容与所述正三端可调稳压器的输出端之间串联有第三电阻和数字电位器。

所述H桥功率电路所需的互补方波信号由中央控制器产生并分别加载在驱动电路的LIN端和HIN端。

所述驱动电路的芯片型号为IR2110，所述数字电位器的型号为X9241。

所述电压采集电路包括信号采集电路和运算放大器电路，运算放大器电路的放大芯片型号为LF353。

所述电流检测电路包括INA138电流监听器电路和与所述INA138电流监听器电路输出端相连接的运算放大电路，运算放大器电路的放大芯片型号为LF353。

本发明具有积极的效果：本发明的结构简单，在使用过程中系统的工作电流可通过键盘进行设定，当电流大小由于受内外因素影响出现波动时，其工作电流依然能保持稳定，使得电磁阻垢、除垢作用受水质、水的流速和PH值等外界环境影响较小，阻垢除垢效率较高，而且适用范围较广，设有调压扩流电路和电压、电流检测电路，通过采用PID控制方法调节系统工作电流，系统工作电流的稳定性提高，并且设有数字电位器，可以通过改变其电阻值从而达到控制调压电路的输出电压的目的，调节可调节性能强，一定程度上提高了其适用性，设有H桥功率电路，且H桥功率电路与调压扩流电电路相连接，可有效的扩大输出功率，提高阻垢、除垢效率，实用性好。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，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，其中：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1中的调压扩流电路图；

图3为图1中数字电位器的具体电路图；

图4为图1中电压检测电路的具体电路图；

图5为图1中电流检测电路的具体电路图；

图6为图1中的H桥功率电路的具体电路图；

图7为本发明的PID控制原理图；

图8为本发明的PID算法流程图。

具体实施方式

(实施例1)

图1至图8显示了本发明的一种具体实施方式，其中图1为本发明的整体结构示意图；图2为图1中的调压扩流电路图；图3为图1中数字电位器的具体电路图；图4为图1中电压检测电路的具体电路图；图5为图1中电流检测电路的具体电路图；图6为图1中的H桥功率电路的具体电路图；图7为本发明的PID控制原理图；图8为本发明的PID算法流程图。

见图1至图8，一种可稳定工作电流的电磁阻垢除垢装置，包括与市电1相连接的降压整流及滤波电路2、与所述降压整流及滤波电路2输出端相连接的稳压电路3，与所述稳压电路3输出端相连接的中央控制器4，与所述中央控制器4的信号输入端相连接的电压检测电路5和电流检测电路6，与所述中央控制器4的输出端相连接的数字电位器7和驱动电路8，所述数字电位器7的输出端连接有调压扩流电路9，所述调压扩流电路9的电源端与所述降压整流及滤波电路2相连接，所述驱动电路8的输出端连接有H桥功率电路10，所述H桥功率电路10的输入端与所述调压扩流电路9的输出端相连接，所述H桥功率电路10的输出端连接有阻垢除垢负载线圈11，所述阻垢除垢负载线圈卷绕11在导流管上，所述电流检测电路6连接在所述H桥功率电路10与阻垢除垢负载线圈11之间的连线上，所述电压检测电路5包括第一电压检测电路51和第二电压检测电路52，所述第一电压检测电路51电连接在所述降压整流及滤波电路2与所述调压扩流电路9之间的连线上，所述第二电压检测电路52电连接在所述调压扩流电路9与H桥功率电路10之间的连线上。

还包括与所述中央控制器4相连接的显示模块12、存储模块13、输入键盘14和数据传输接口15。

图2中，所述调压扩流电路9包括与降压整流及滤波电路2相连接的第一电阻R1、所述第一电阻输出端R1分别连接在第二电阻R2和TIP42三极管的发射极，所述第二电阻R2的另一端与所述TIP42三极管的基极相连接且所述TIP42三极管的基极分别连接有第一电容C1和正三端可调稳压器，所述TIP42的集电极与所述正三端可调稳压器的输出端相连后连接在H桥功率电路的输入端上，在所述第一电容C1与所述正三端可调稳压器的输出端之间串联有第三电阻R3和数字电位器。

图3中，X9241是由4个可控数字电位器组成的CMOS集成电路，其物理特性相当于滑动变阻器，但其阻值可由单片机进行改变。每个数字电位器由63个定值电阻串联而成，外部有VL、VW、VH三个端口，内部有64个开关，单片机通过设置开关的通断来改变其阻值。在使用时，将SDA、SCL和单片机相连，单片机按照IIC控制时序将命令发送至X9241，从而改变X9241的阻值。

图6中，所述H桥功率电路10包括产生互补方波信号的方波信号发生器，所述方波信号发生器分别接在驱动电路的LIN端和HIN端。由单片机产生一组互补的方波信号，分别接入驱动芯片IR2110的LIN端和HIN端，IR2110的输出控制信号使得H桥的四个开关管按序导通，比如Q1、Q4导通时，Q2、Q3截止，此时电流由LOAD-A端流向LOAD-B端；反之，Q2、Q3导通时，Q1、Q4截止，电流由LOAD-B端流向LOAD-A端，电流反向，H桥功率电路最终输出的是一定频率的交变电流。

图4中，所述电压采集电路包括信号采集电路和运算放大器电路，运算放大器电路的放大芯片型号为LF353。

图5中，所述电流检测电路包括INA138电流监听器电路和与所述INA138电流监听器电路输出端相连接的运算放大电路，运算放大器电路的放大芯片型号为LF353。

图7中，包括PID控制器、以X9241为核心的执行器、以调压扩流电路为核心的控制对象，以及作为反馈回路的AD采样电路。

PID控制采用的是增量式PID控制方式，前一时刻的控制量加上当前时刻的增量，可得到当前时刻的控制量。增量式PID控制算法可以通过(1)式推导。由(1)式可以得到控制器的第k-1个采样时刻的输出值，如(2)式所示：

u_{k} = K_{p} [e_{k} + \frac{T}{T_{i}} Σ_{j = 0}^{k} e_{j} + T_{d} \frac{e_{k} - e_{k - 1}}{T}] - - - (1)

u_{k - 1} = K_{p} [e_{k - 1} + \frac{T}{T_{i}} Σ_{j = 0}^{k - 1} e_{j} + T_{d} \frac{e_{k - 1} - e_{k - 2}}{T}] - - - (2)

将(1)式与(2)式相减并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式为：

\begin{matrix} {Δu}_{k} = u_{k} - u_{k - 1} \\ = K_{p} [e_{k} - e_{k - 1} + \frac{T}{T_{i}} e_{k} + T_{d} \frac{e_{k} - {2 e}_{k - 1} + e_{k - 2}}{T} \\ = K_{p} (1 + \frac{T}{T_{i}} + \frac{T_{d}}{T}) e_{k} - K_{p} (1 + \frac{{2 T}_{d}}{T}) e_{k - 1} + K_{p} \frac{T_{d}}{T} e_{k - 2} \\ = {Ae}_{k} - {Be}_{k - 1} + {Ce}_{k - 2} \end{matrix} - - - (3)

其中

A = K_{p} (1 + \frac{T}{T_{i}} + \frac{T_{d}}{T})

B = K_{p} (1 + \frac{{2 T}_{d}}{T})

C = K_{p} \frac{T_{d}}{T}

由(3)式可以看出，如果单片机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由(3)式求出控制增量。

图8中，首先依据采样值计算出实际的电流值，与设定值比较，得到电流的误差e_k，然后使用上述PID算法，得到控制增量△u_k，将前一次的控制量与增量相加，得到当前时刻的控制量，即数字电位器X9241的阻值，调节X9241的阻值，可实现对调压扩流电路的控制。对X9241进行赋值后，应将当前的数据保存下来，用于进行下一次控制。

采用PID控制之后的实验结果表明，采用PID控制后，阻垢防垢装置实现了电流稳定、电压可调的目标，即便工作频率发生变化，但输出波形的幅值基本保持不变。系统在工作之后，通过设定的预期电流稳定值，以及A／D采样反馈回来的电流值变化，PID控制器会做出相应的调整，控制系统的输出电压和输出功率，进而控制电流只在预期电流稳定值附近波动，该方法降低了不确定扰动因素的影响，实现了系统工作电流稳定，得到了稳定电磁场，保证了阻垢除垢的效果。

本发明的结构简单，在使用过程中阻垢、除垢电磁受水质、水的流速和PH值等外界环境影响较小，阻垢除垢效率较高，而且适用范围较广，设有调压扩流电路和电压、电流检测电路，可有效的提高PID控制的准确度，并且设有数字电位器，可以通过改变其电阻值从而达到控制调压电路的输出电压的目的，调节可调节性能强，一定程度上提高了其适用性，设有H桥功率电路，且H桥功率电路与调压扩流电电路相连接，可有效的扩大输出功率，提高阻垢、除垢效率，实用性好。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种可稳定工作电流的电磁阻垢除垢装置，其特征在于：包括与市电相连接的降压整流及滤波电路、与所述降压整流及滤波电路输出端相连接的稳压电路，与所述稳压电路输出端相连接的中央控制器，与所述中央控制器的信号输入端相连接的电压检测电路和电流检测电路，与所述中央控制器的输出端相连接的数字电位器和驱动电路，所述数字电位器的输出端连接有调压扩流电路，所述调压扩流电路的电源端与所述降压整流及滤波电路相连接，所述驱动电路的输出端连接有H桥功率电路，所述H桥功率电路的输入端与所述调压扩流电路的输出端相连接，所述H桥功率电路的输出端连接有阻垢除垢负载线圈，所述阻垢除垢负载线圈卷绕在导流管上，所述电流检测电路连接在所述H桥功率电路与阻垢除垢负载线圈之间的连线上，所述电压检测电路包括第一电压检测电路和第二电压检测电路，所述第一电压检测电路电连接在所述降压整流及滤波电路与所述调压扩流电路之间的连线上，所述第二电压检测电路电连接在所述调压扩流电路与H桥功率电路之间的连线上。

2.根据权利要求1所述的可稳定工作电流的电磁阻垢除垢装置，其特征在于：还包括与所述中央控制器相连接的显示模块、存储模块、输入键盘和数据传输接口。

3.根据权利要求2所述的可稳定工作电流的电磁阻垢除垢装置，其特征在于：所述调压扩流电路包括与降压整流及滤波电路相连接的第一电阻、所述第一电阻输出端分别连接在第二电阻和TIP42三极管的发射极，所述第二电阻的另一端与所述TIP42三极管的基极相连接且所述TIP42三极管的基极分别连接有第一电容和正三端可调稳压器，所述TIP42的集电极与所述正三端可调稳压器的输出端相连后连接在H桥功率电路的输入端上，在所述第一电容与所述正三端可调稳压器的输出端之间串联有第三电阻和数字电位器。

4.根据权利要求3所述的可稳定工作电流的电磁阻垢除垢装置，其特征在于：所述H桥功率电路所需的互补方波信号由中央控制器产生并分别加载在驱动电路的LIN端和HIN端。

5.根据权利要求4所述的可稳定工作电流的电磁阻垢除垢装置，其特征在于：所述驱动电路的芯片型号为IR2110，所述数字电位器的型号为X9241。

6.根据权利要求5所述的可稳定工作电流的电磁阻垢除垢装置，其特征在于：所述电压采集电路包括信号采集电路和运算放大器电路，运算放大器电路的放大芯片型号为LF353。

7.根据权利要求6所述的可稳定工作电流的电磁阻垢除垢装置，其特征在于：所述电流检测电路包括INA138电流监听器电路和与所述INA138电流监听器电路输出端相连接的运算放大电路，运算放大器电路的放大芯片型号为LF353。