CN107032507A - 智能感应全自动除垢器及其除垢方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能感应全自动除垢器，包括：主机以及与其连接的感应器、水质传感器。其方法包括：主机通过水质传感器实时检测水垢含量；主机通过水质传感器实时检测水垢含量；主机内的中央处理器根据水垢含量发送固有频率信号，通过扫描电压产生器、压控振荡器产生水垢固有振动频率的脉冲信号，经放大后输出至感应器；感应器内部产生交变电场，使水垢产生共振，水垢晶体断裂被排出。本发明的水质分析电路可以将水质传感器反馈的电信号进行处理，供中央处理器根据该信号得出除垢的固有频率；水质传感器结构简单，能够用于水质含量的检测；本发明采用闭环控制，能够根据检测的水质含量输准确跟踪固有频率除垢，节省功率，除垢效果好。

Description

智能感应全自动除垢器及其除垢方法

技术领域

本发明涉及一种智能感应全自动除垢器及其除垢方法，是一种用于对各种工业锅炉和供暖(生活)锅炉以及中央空调水循环系统水源热泵、热交换器、工业冷却循环水系统进行除垢、防垢、杀菌、灭藻、防腐蚀的专用设备和除垢方法。

背景技术

供暖锅炉水循环系统的设备在东北、华北、西北等高纬度地区有相当大的数量。在全国，更有大量的工业锅炉。不管何种形式锅炉，它们都存在一个共同的弊端----结垢。尽管水垢的形成是一个复杂的化学物理过程，究其原因仍是锅炉内的媒质-----水。水是工业生产和日常生活中不可缺少的重要资源，而自然界中的水里都含有各种矿物质盐，其中以碳酸氢钙Ca(HCO₃)₂和碳酸氢镁Mg(HCO₃)₂为主要成分。水垢具体形成的过程可用以下化学方程式描述：

上述可见，结垢的真正元凶是水中的钙、镁盐，而加热(△)只是一个外因。垢是热的不良导体，它的形成将大大降低制热设备的导热能力，增加燃料的消耗，甚至会导致锅炉爆管。

为了不使锅炉结垢，人们必须对水进行处理，目前为止，普遍采用的是化学水处理法，离子交换法是应用最多的一种化学水处理法。离子交换法是利用阳离子置换方式，用钠离子(Na⁺)将水中钙离子(Ca⁺⁺)、镁离子(Mg⁺⁺)置换出来，以达到水的软化目的。水中没有钙、镁，锅炉便不会结垢。尽管化学水处理法能保护容器和管道，但也存在诸多弊病；其一，大量浪费工业原料(工业盐)，增加运行费用，且其排出的废液会污染环境；其二，除垢装置庞杂，系统繁多，一次性投资费用高，占地面积大；其三，工艺复杂，操作要求严格；其四，生产过程中自身耗水量大。使用药剂时还会加剧对设备的腐蚀。利用物理技术替代化学技术对水进行处理已成为技术发展的需要和必然。

经过近五十年的不断探索，目前已有多种物理水处理法问世，它们包括永磁法、电场(含高压电场和低压电场)法，高频电子除垢法(即探针式)、超声波法和缠绕式电磁感应法，其中以缠绕式电磁感应法的发展最为迅速，且其除垢效果也优于其他方法。

发明内容

本发明目的是提供一种智能感应全自动除垢器及其除垢方法，能够通过物理方法对水进行除垢。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：智能感应全自动除垢器，包括：主机以及与其连接的感应器、水质传感器。

所述主机包括顺序连接的中央处理器、扫描电压产生器、压控振荡器、电压放大器、桥式功率放大器，以及与中央处理器连接的变容变阻电路、水质反馈电路；所述桥式功率放大器与感应器连接；所述水质反馈电路与水质传感器连接。

所述变容变阻电路包括变容数模转换器以及与其连接的变容电路、变阻数模转换器以及与其连接的变阻电路；所述变容数模转换器、变阻数模转换器与中央处理器连接；变容电路、变阻电路与压控振荡器连接。

所述水质反馈电路包括水质分析模数转换器以及与其连接的水质分析电路；所述水质分析模数转换器与中央处理器连接；所述水质分析电路与水质传感器连接。

所述水质分析电路包括：顺序连接的方波信号产生器、采样电阻、可编程增益放大器、线性检波器、隔离器，以及与方波信号产生器连接的倒相器；所述采样电阻的两端分别与可编程增益放大器的两个输入端连接；所述倒相器、采样电阻与水质传感器连接。

所述桥式功率放大器通过互感器与感应器连接，互感器连有声光报警电路。

所述水质传感器包括两个相对的极板，以及连接两个极板且分别位于顶部、底部的绝缘板；两个极板和两个绝缘板构成四面封闭的中空结构，内部用于水流通过；两个极板分别与水质分析电路内的倒相器、采样电阻连接。

所述感应器为线圈，缠绕于水管外。

智能感应全自动除垢方法，包括以下步骤：

主机通过水质传感器实时检测水垢含量；

主机内的中央处理器根据水垢含量发送固有频率信号，通过扫描电压产生器、压控振荡器产生水垢固有振动频率的脉冲信号，经放大后输出至感应器；

感应器的内部产生交变电场，使水垢产生共振，水垢晶体断裂被排出。

所述主机通过水质传感器实时检测水垢含量包括以下步骤：

水质分析电路内的方波信号产生器产生方波信号，分别经倒相器、采样电阻输出至水质传感器的两个极板；

中央处理器接收水质分析电路反馈的采样电阻两端电压，并根据水垢含量与电压的对应关系，得到水垢含量。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明能有效清除锅炉金属内壁的铁锈，并自动在金属内壁上形成一层保护膜，从而达到除锈、防腐作用。

2.本发明的水质分析电路可以将水质传感器反馈的电信号进行处理，供中央处理器根据该信号得出除垢的固有频率。

3.本发明的水质传感器结构简单，能够用于水质含量的检测。

4.本发明采用闭环控制，能够根据检测的水质含量输准确跟踪固有频率，实现了20周～800多千周的频宽除垢，节省功率，除垢效果好。

附图说明

图1为本发明的电原理方框图；

其中，1主机，2感应器，3水质传感器，4流速传感器，5中央处理器，6压控振荡器，7变容电路，8变容数/模转换电路，9变阻电路，10变阻数/模转换电路，11扫描电压产生器，12电压放大器，13桥式功率放大器，14功率计，15互感器，16声光报警电路，17测频电路，18水质分析电路，19水质分析模/数转换电路，20开关电源；

图2本发明的水质分析电路结构框图；

其中，21方波信号产生器，22倒相器，23采样电阻，24可编程增益放大器，25线性检波器，26隔离器；

图3本发明的水质传感器结构示意图；

图4本发明的总频宽与有效除垢频宽关系图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明包括四个部分：1主机，2感应器，3水质传感器，4流速传感器。

水质分析电路如图2所示，该电路由方波信号产生器21、倒相器22、采样电阻23、可编程增益放大器24、线性检波器25、隔离器26等部分组成。方波信号产生器21用于产生占空比为1：1的方波脉冲信号。该信号分别加至倒相器22和采样电阻23的一端，经采样电阻23送到水质传感器3的一个极板，倒相器22输出的反相信号加到水质传感器3的另一个极板，从而保证两级板之间的信号相位差为180度。鉴于水质不同，水中钙、镁离子数量也不同，因此在采样电阻23上形成的采样信号也不同。采样电阻23为精密金属膜材质，故其性能稳定。由于采样信号较弱，因此必须给予足够放大，该放大任务由可编程增益放大器24完成。本实施例对采样信号放大10～100倍，放大后的采样信号经线性检波器25进行等比例检波，最终使采样信号变成电压模拟量。该模拟电压经隔离器26送至水质分析模/数转换器19，转换后的数码信号加至中央处理器5。为了防止外界干扰，采样电阻23、可编程增益放大器24和线性检波器25装在一个金属屏蔽盒内。

主机1在中央处理器的控制下，持续向感应器2输出足够功率，且其信号频率变化的高频脉冲信号群，感应器2在高频脉冲信号群(实质上是一组调频信号)作用下，使管道内产生交变磁场，该交变磁场作用于管道内水体中流动的离子，从而又产生交变感应电动势，该电动势与交变磁场共同构成一个物理场，也就是交变电磁振动场。

水质传感器3用于探测管道内的水质，主要是探测水中钙镁的状况，利用水质分析电路，可以测定钙镁的具体含量。水垢中的离子晶体具有它的固有振动频率，这个频率的高低取决于构成晶体的离子数量多少和质量的大小，利用统计学方法，根据水中垢的含量便可得出其固有振动频率的频带宽度。流速传感器4用于测定管道内水的流速，根据流速的大小，控制主机输给感应器2的信号功率大小，从而达到最佳的输出功率。

从化学角度讲，水垢的主要成分是碳酸钙，这个碳酸钙就是石灰石，石灰石是一种离子晶体，在离子晶体中，阴阳离子交替地排列在晶格的结点上，各结点以静电力相互作用而吸引成晶体，由于静电力较大，因此晶体的硬度较高。当交变电磁场的振动频率与水垢晶体固有振动频率相同时，水垢晶体便发生共振，这时结点间的静电吸引力在共振外力作用下会大大消弱，由于外力场的作用晶格的层与层之间极易造成滑动式错位，错位的结果使异性电荷的离子错开，而同性电荷的离子却靠在一起，由于同性电荷的离子间存在排斥力，从而使离子晶体的晶格发生变化，离子断裂，也就是离子晶体由方解石结构变成为文石结构，文石晶体的颗粒较小，粘附性很弱，不易粘附到热容器内壁和管道内壁，呈松软絮状，它悬浮在水中，最终被水流带走，并通过排污将其排出。

总之，除垢设备是利用电磁共振冲击，让水垢晶体的晶格发生根本性变化，使硬垢稀泥化后成为软垢，通过排污达到阻垢目的。由于锅炉内、管道内的水在交变电磁振动场的作用下，大水分子团被击碎而变成小水分子团，于是水的溶解力、渗透力大大增强，原有旧垢便不断被溶解，加上原垢有着一种多孔结构和细小裂纹，随着被活化水的渗透和冲刷，水垢的裂纹逐渐增大，组织变得松散，最后破碎，并被水流冲走，从而起到除垢作用。

本发明的先进性和创造性体现在设备的运行是在闭环条件下工作，而同类产品却都是在开环条件下工作。闭环系统和开环系统有着明显的不同效果，前者远优于后者，由于地域不同。环境不同，各个锅炉用水的水质也千差万别，为了达到共振除垢的目的，人们都设法把自己的产品设计成宽频带的工作方式，因此很多现有的设备都标其产品是宽频带、全频段等等。从功率谱的角度分析，这种设计方法不可取。例如，某型号除垢设备输出功率为100w，而其频率宽达1mc，那么在100kc有用频率范围内，只得到1/10的总功率10w，其他90％的能量都浪费了。闭环系统就不存在这个问题，由于引入水质传感器和水质分析电路，主机很容易针对当前环境下自动输出能达到共振目的的信号频率，全部功率集中在某个有用频段内，因此其除垢效果明显提高。根据室外温度的变化，锅炉的进出水量也要随之变化，流速传感器的引入可以根据进出水量的多少来调整主机的输出功率，以便达到最佳除垢效果。

各种锅炉容器和管道都是金属铁制成(碳钢也是一种铁)，铁有一个特点，容易氧化，在某些特定条件下(如加热、环境湿热)，铁和氧产生化学反应形成铁的氧化物，通常是氧化铁、三氧化二铁(即铁锈)，而其中三氧化二铁居多。由于水中存有相当数量的游离氧，这些氧很快与铁形成铁锈，长年的锈蚀，很容易造成容器和管道的穿孔或爆裂。

从化学角度看，铁的氧化反应实质上是电子的定向运动，但交变电磁场能干扰这种电子定向运动，从而起到抗氧化作用，使腐蚀得以延缓。与此同时，水中流动的正、负离子在交变电磁场的作用下分别向相反方向运动，形成微弱电流，电流中的负离子能与铁锈(Fe₂O₃.nH₂o)起化学反应，使三氧化二铁变成四氧化三铁，其反应方程式如下：

3Fe₂O₃.nH₂o+2e→2Fe₃O₄+1/2O₂+3nH₂O

四氧化三铁本身比较稳定，它在金属表面形成的硬膜能使容器壁、管壁与水隔开，使腐蚀停止，从而达到除锈腐蚀目的。

主机1的信号由压控振荡器6产生，该信号频率必须满足能与所有不同水质中方解石的固有振动频率和大水分子团固有振动频率相符。中国面积广大，不同地域，不同地理位置和水质差别悬殊，要想使信号频率与方解石和大水分子团达到共振目的，信号频率的频带宽度总频宽必须相当宽。通过测算，该频率约从f_低(约几十周)到f_高(约几百千周)，而对于固定位置的水质，这个共振频率的带宽却不到100千周。为了达到信号功率的充分利用，必须使压控振荡器6输出的信号频率带宽(△f)在100千周以内。而这100千周的带宽应能在f_低与f_高之间左右移动，如图4所示。

变容电路7和变阻电路9均可连续从小到大变化，它们共同构成压控振荡器6的阻容网络，它们决定信号频率的频段位置，而该频段的频带宽度由扫描电压产生器11(锯齿波或三角波产生器)决定，扫描电压的低值和高值由中央处理器5进行控制。由于变容电路和变阻电路需用模拟量进行控制，因此在上两电路与中央处理器5之间接入变容数/模转换器8和变阻数/模转换器10。

变容电路和变阻电路分别采用变容器和变阻器。变容器包括多个并联的电容，每个电容的一端与阵列开关的一个输出端连接，根据中央处理器的信号进行电容的通断，电容另一端接地。变阻器包括多个并联的电阻，每个电阻与阵列开关的一个输出端连接，根据中央处理器的信号进行电阻的通断，电阻的另一端接地。

压控振荡器6输出的信号经电压放大器12放大后送至桥式功率放大器13。理论计算得知桥式功率放大要比单路功率放大的输出功率大四倍，因此本发明采用桥式功率放大器。桥式功率放大器以强大的输出功率(最高可达千瓦)送至感应器2，以形成管体内水体中强有力的交变电磁振动场。功率计14用于显示桥式功率放大器13输出功率的大小。互感器15套置于功率放大器13的输出线外，用于判别功率输出回路的正常以否。当输出正常时，互感器15关闭声光报警电路16，当主机1有故障或感应器2断开时，互感器15打开声光报警电路16，此时喇叭发声，灯光闪亮。测频电路17用于显示扫描电压产生器11输出锯齿波信号的频率和压控振荡器6输出的信号频率。

水质传感器3由两片不同材质的金属制成，本实施例采用锌和镍；上下用绝缘材料隔开，水流从中间流过(见图3)。两个极板由水质分析电路18来加交流信号，当水流通过时，水质分析电路能依据两个电极电位的变化情况输出一个模拟量，该模拟量经水质分析模/数转换器19变换后送至中央处理器5，中央处理器5根据水质分析电路送来的信号，控制阻容网络的阻容值以决定压控振荡器6输出信号的频段位置。中央处理器5同时控制扫描电压产生器11的锯齿电压的低值和高值，以决定除垢频宽(△f)。

其中，通过实验数据得到采样电阻两端电压与各种水垢含量的对应关系，中央处理器5根据水质传感器3反馈的模拟量得到实时监测的水垢含量。另外，中央处理器5内部存有经实验数据得到的水垢含量与其对应的固有振动频率对应关系，因此对于实时监测的水垢含量，中央处理器5根据其对应的固有振动频率输出表示该频率的数码信号至扫描电压产生器，扫描电压产生器产生2V～10.5V的锯齿(或三角)波电压，该锯齿(或三角)波的高低值分别决定压控振荡器输出信号频率的高低值，该高低值之间的频率差即为包含固有频率的频宽△f。中央处理器5发出开关信号至变容变阻电路，用于调节变容变阻电路的电阻、电容值，可以左右移动频宽位置，使固有频率包含在频宽△f内；因此压控振荡器根据变容变阻电路的电阻、电容值和扫描电压产生器的输出波形，产生水垢固有振动频率的脉冲信号，经放大后输出至感应器，用于使水垢产生共振变碎并排掉。

为了改善环境的空气质量，目前很多地方已开始淘汰10吨、20吨以下锅炉，而40吨、60吨、100吨锅炉不断增加，它们大多采用变频循环泵，因此锅炉的进出水量经常变化，流速传感器4(采用超声传感器)能测出锅炉回水管的管中回水流速，并以数字形式把流速信号送入中央处理器5，中央处理器5能根据回水的流速快慢控制桥式功率放大器13输出功率的大小。感应器2是利用导线缠绕在回水管上的多组线啳，实质上是一个电感器。～220V/50HZ交流电压经开关电源20变换成DC1和DC2两组直流稳定电压，以供各电路工作需要。

Claims (10)

1.智能感应全自动除垢器，其特征在于包括：主机(1)以及与其连接的感应器(2)、水质传感器(3)。

2.根据权利要求1所述的智能感应全自动除垢器，其特征在于所述主机(1)包括顺序连接的中央处理器(5)、扫描电压产生器(11)、压控振荡器(6)、电压放大器(12)、桥式功率放大器(13)，以及与中央处理器(5)连接的变容变阻电路、水质反馈电路；所述桥式功率放大器(13)与感应器(2)连接；所述水质反馈电路与水质传感器(3)连接。

3.根据权利要求2所述的智能感应全自动除垢器，其特征在于所述变容变阻电路包括变容数/模转换器(8)以及与其连接的变容电路(7)、变阻数/模转换器(10)以及与其连接的变阻电路(9)；所述变容数/模转换器(8)、变阻数/模转换器(10)与中央处理器(5)连接；变容电路(7)、变阻电路(9)与压控振荡器(6)连接。

4.根据权利要求2所述的智能感应全自动除垢器，其特征在于所述水质反馈电路包括水质分析模/数转换器(19)以及与其连接的水质分析电路(18)；所述水质分析模/数转换器(19)与中央处理器(5)连接；所述水质分析电路(18)与水质传感器(3)连接。

5.根据权利要求3所述的智能感应全自动除垢器，其特征在于所述水质分析电路(18)包括：顺序连接的方波信号产生器(21)、采样电阻(23)、可编程增益放大器(24)、线性检波器(25)、隔离器(26)，以及与方波信号产生器(21)连接的倒相器(22)；所述采样电阻(23)的两端分别与可编程增益放大器(24)的两个输入端连接；所述倒相器(22)、采样电阻(23)与水质传感器(3)连接。

6.根据权利要求2所述的智能感应全自动除垢器，其特征在于所述桥式功率放大器(13)通过互感器(15)与感应器(2)连接，互感器(15)连有声光报警电路(16)。

7.根据权利要求1所述的智能感应全自动除垢器，其特征在于所述水质传感器(3)包括两个相对的极板，以及连接两个极板且分别位于顶部、底部的绝缘板；两个极板和两个绝缘板构成四面封闭的中空结构，内部用于水流通过；两个极板分别与水质分析电路(18)内的倒相器(22)、采样电阻(23)连接。

8.根据权利要求1所述的智能感应全自动除垢器，其特征在于所述感应器(2)为线圈，缠绕于水管外。

9.智能感应全自动除垢方法，其特征在于包括以下步骤：

主机(1)通过水质传感器(3)实时检测水垢含量；

主机(1)内的中央处理器(5)根据水垢含量发送固有频率信号，通过扫描电压产生器(11)、压控振荡器(6)产生水垢固有振动频率的脉冲信号，经放大后输出至感应器(2)；

感应器(2)的内部产生交变电场，使水垢产生共振，水垢晶体断裂被排出。

10.根据权利要求9所述的智能感应全自动除垢方法，其特征在于所述主机(1)通过水质传感器(3)实时检测水垢含量包括以下步骤：

水质分析电路(18)内的方波信号产生器(21)产生方波信号，分别经倒相器(22)、采样电阻(23)输出至水质传感器(3)的两个极板；

中央处理器(5)接收水质分析电路(18)反馈的采样电阻(23)两端电压，并根据水垢含量与电压的对应关系，得到水垢含量。