CN107585883A - 一种基于爬山法的智能电磁除垢防垢方法及除垢防垢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于爬山法的智能电磁除垢防垢方法及除垢防垢装置，通过数据采集器测量待处理水体的电导率值与温度值；上位机根据采集的数据利用爬山法寻找最优谐振频率，并向单片机控制器发送信号控制高频信号发生器产生相应频率的电磁脉冲；高频信号发生器以全局最优频率产生电磁脉冲对水体进行除垢。本发明除垢防垢效果明显，并自动调整频率以匹配水体的谐振频率，以达到最佳的除垢效果；适应性好，除垢范围更为广泛，不局限于单一环境的水体，应用范围更广；采用爬山法，避免了因待处理水体的电导率值与电磁脉冲频率的曲线不够理想，而误把局部最优频率作为全局最优频率的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种对管道水垢及污垢进行去除和防止污垢形成的、可以自动寻找优化电磁除垢防垢频率的电磁除垢防垢装置及除垢防垢方法。
背景技术
目前，常用的除垢方法有化学除垢和物理除垢。化学方法大体包括酸洗法、碱沉淀法和离子交换法等。物理方法包括捅刷法、高压水射流清洗法、超声波法、普通电磁除垢法等。化学除垢容易导致对水体的污染，造成对坏境的破坏。而传统的物理方法需要拆除管道清洗，需要耗费很大的人力物力，影响企业生产的正常运行，降低企业生产效率。目前应用比较广泛的是电磁除垢，通过产生交变磁场，使得水体产生谐振，大的水分子团裂解为双水分子或单水分子，由于双水分子和单水分子渗透力强，在动态溶解平衡中会渗入水垢与容器壁之间，使水垢松软、龟裂、水垢由坚硬、致密的片状的方解石晶体变为细小、松软的文石晶体，并溶解入水体中，导致水体中钙离子、镁离子浓度增加。
目前市场上高频、变频电磁除垢设备产品众多，原理相同，都是通过外加交变谐振频率与水体产生谐振，从而达到除垢的效果。但目前大多数产品都无法保证对不同环境的水体达到同样的除垢效果，因为不同的水体其谐振频率是不一样的，加载于管道水体的交变谐振频率也应跟水体谐振频率保持一致，而目前还缺乏简便实用的最优谐振频率判断方法。
目前常用于评估除垢效果、确定最佳谐振频率的常用方法有结构重量比对法、配位滴定法以及电子显微镜观察结垢晶型法。结构重量比对法是通过对电磁处理前后析出结垢物质重量的比较来反映除垢效果；配位滴定法是通过测量剩下的、溶于水中的钙离子浓度的方法来衡量除垢效果的好坏；电子显微镜观察结垢晶型法通过电子显微镜来观察电磁场作用前后，生成的结垢物质在微观晶型上的区别来定性分析除垢效果的好坏。上述常用的评估除垢效果、确定最佳谐振频率的方法都是离线进行的，不仅耗时耗力，而且很多情况下也只能得到大概的最佳谐振频率。
发明内容
发明目的：为了克服现有的电磁除垢仪无法针对不同水质判断最优谐振频率、效率低下的问题，本发明提供一种基于爬山法的智能电磁除垢防垢方法。
本发明的另一目的是提供一种基于爬山法的智能电磁除垢防垢装置。
技术方案：一种基于爬山法的智能电磁除垢防垢方法，包括以下步骤：
(1)设定频率下限值、频率上限值以及每次增加的频率值，系统进行初始化，上位机向单片机控制器发送信号，控制高频信号发生器产生以频率下限值为频率的电磁脉冲；
(2)通过数据采集器测量此时水体的电导率值，记为G1；获取此时的电磁脉冲的频率，记为f1；
(3)上位机向单片机控制器发送信号控制高频信号发生器产生电磁脉冲，按照预先设定的增加的频率值第一次增加电磁脉冲的频率，记为f2，高频信号发生器产生频率为f2的电磁脉冲；测量此时水体的电导率值，记为G2；
(4)上位机向单片机控制器发送信号控制高频信号发生器产生电磁脉冲，按照预先设定的增加的频率值第二次增加电磁脉冲的频率，记为f3，高频信号发生器产生频率为f3的电磁脉冲；测量此时水体的电导率值，记为G3；
(5)计算第一次增加频率时水体电导率的变化率、第二次增加频率时水体电导率的变化率，判断两次的电导率变化率的符号是否相同；若相同，则此时电磁脉冲的频率还未到达局部最优值，循环操作步骤(2)至步骤(5)；若两次的电导率变化率符号相反，则记录电导率值G2以及频率f2，频率f2为局部最优频率；
(6)循环操作步骤(2)至步骤(5)直到频率达到频率上限制，若不再出现两次的电导率变化率符号相反的情况，则记录的频率f2作为全局最优频率；若再出现两次电导率变化率符号相反的情况，则记录此时的电导率值G2’以及频率f2’，频率f2’为局部最优频率，比较G2和G2’的大小，若G2’大于G2，则频率f2’更新为局部最优频率，否则记录的频率f2仍作为局部最优频率，循环操作直到频率增加到频率上限，将最终记录的局部最优频率作为全局最优频率；
(7)上位机向单片机控制器发送信号控制高频信号发生器产生电磁脉冲，高频信号发生器以全局最优频率产生电磁脉冲对水体进行除垢。
进一步的，所述步骤(1)中设定的频率下限为200Hz，频率上限为20MHz。
进一步的，测量水体的电导率的同时，还对水体温度进行测量。
进一步的，每次更改电磁脉冲的频率后，数据采集器多次采集水体的电导率，至水体的电导率趋于稳定时，才将稳定的电导率值作为更改频率后水体的电导率值。
进一步的，所述步骤(5)中判断第一次增加频率时水体电导率的变化率与第二次增加频率时水体电导率的变化率的符号是否相同的方法为：当电导率的变化率大于0时记做1，小于0时记做0；对两次电导率的变化率进行异或运算，若异或运算结果为0，则两者符号相同，若异或运算结果为1，则两者符号不同。
一种基于爬山法的智能电磁除垢防垢装置，包括数据采集器、单片机控制器、高频信号发生器、上位机，所述数据采集器与上位机电连接，数据采集器用于采集水体的电导率及电磁脉冲的频率；上位机根据数据采集器采集到的数据自动调整电磁脉冲的频率，并控制高频信号发生器产生相应频率的电磁脉冲。
进一步的，数据采集器包括电导率传感器，所述电导率传感器位于待处理水体的中心；
进一步的，数据采集器还包括数字式温度传感器，数字式温度传感器用于测量水体温度。
有益效果：本发明提供的一种基于爬山法的智能电磁除垢防垢方法，相对于现有的电磁除垢方法而言，具有如下优势：1、除垢防垢效果明显，能够根据不同环境的水体判断最优谐振频率，并自动调整频率以匹配水体的谐振频率达到最佳的除垢效果。2、适应性好，除垢范围更为广泛，不局限于单一环境的水体，应用范围更广。3、采用爬山法，避免了因待处理水体的电导率值与电磁脉冲频率的曲线不够理想，而误把局部最优频率作为全局最优频率的问题。
附图说明
图1为未加磁场的100ml蒸馏水+5mg碳酸钙电导率变化情况；
图2为加磁场作用的100ml蒸馏水+5mg碳酸钙电导率变化情况；
图3为不同电磁场频率下水样电导率曲线图；
图4为本发明的基于爬山法的智能电磁除垢防垢装置图；
图5为理论上待处理水体的电导率值与电磁脉冲频率的曲线；
图6为实际上待处理水体的电导率值与电磁脉冲频率的曲线；
图7为本发明的下位机主流程图；
图8为本发明的上位机主流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所述，未加磁场与加磁场作用下100ml蒸馏水+5mg碳酸钙电导率变化情况比较。100ml蒸馏水+5mg碳酸钙水样在不加磁场的情况下3小时内电导率值的变化很小，变化只有1.5μS/cm，而在施加磁场作用下的同样水样3小时内电导率值情况下3小时内电导率值的变化接近10μS/cm，可见磁场能够增强水体的电导率值。
如图3所述不同电磁场频率下水样电导率曲线图，水样的电导率值随频率增大而呈增大趋势，当频率超过一定值时趋于平缓，可见磁场的频率同样影响水样电导率值的大小。
磁场改变了水垢在水体中溶解度的大小，使得水中带电粒子增减，反映在实验中就是水体电导率值的变化，所以电导率值能够反映除垢的效果。由于电磁除垢系统是一个复杂的非线性系统，温度值和电导率对于输出频率的影响无法十分准确地进行数学描述，只能通过一系列的实验，得出一个相对性的结论。因此当水体的共振频率带宽一旦确定后，比较适合采用爬山法根据温度值和电导率的变化来调整水处理装置的电磁脉冲频率输出。
如图4所示，一种基于爬山法的智能电磁除垢防垢装置，包括数据采集器4、单片机控制器5、高频信号发生器3、上位机6，所述数据采集器4与上位机6电连接，数据采集器4用于采集水体的电导率及电磁脉冲的频率；上位机6根据数据采集器4采集到的数据自动调整电磁脉冲的频率，并控制高频信号发生器5产生相应频率的电磁脉冲。
数据采集器4包括电导率传感器、数字式温度传感器，数字式温度传感器用于测量水体温度，测量出的温度主要用于电导率的温度补偿计算。
所述数据采集器4位于待处理水体的中心，如图4中数据采集器4安装在水槽2的中心处，即水体的中心区域，这样能够使电导率传感器测得当前水体的电导率值与当前水体真实的电导率值趋于一致。工业管道中水体主要为循环水，为了模拟工业管道中水体的动态循环，特安装水泵1，水泵1的作用主要是使水体循环运行起来，与工业现场保持一致。
所述高频信号发生器3是用于直接除垢的装置，其可产生200Hz～20MHz电磁脉冲频率。高频信号发生器3的驱动是通过功率放大器来实现的。
所述单片机控制器5采用MSP430单片机，在保证超低功耗的前提下有较高的处理能力及运算速度。系统上电之后，单片机控制器5便会执行数据采集和控制初始化程序，单片机控制器5会给数据采集器4、高频信号发生器3和功率放大器发送指令启动。初始化程序执行完毕之后，单片机控制器5进入主程序开始循环执行，数据采集器4间隔一段时间采集水体当前参数，并将数据传递给上位机6处理。同时单片机控制器5也接收上位机6的指令调整高频信号发生器3的频率。
所述上位机6系统用于接收数据采集器4采集到的水体当前参数，并对其进行处理以判断最佳的电磁脉冲除垢频率，之后上位机6便会对单片机控制器5发出指令以调整高频信号发生器3的电磁脉冲除垢频率。
基于爬山法的智能电磁除垢防垢方法包括以下步骤：
(1)设定频率下限值、频率上限值以及每次增加的频率值，系统进行初始化，上位机向单片机控制器发送信号控制高频信号发生器产生以频率下限值为频率的电磁脉冲；
(2)通过数据采集器测量此时水体的电导率值，记为G1；获取此时的电磁脉冲的频率，记为f1；
(3)上位机向单片机控制器发送信号控制高频信号发生器产生电磁脉冲，按照预先设定的增加的频率值第一次增加电磁脉冲的频率，记为f2，高频信号发生器产生频率为f2的电磁脉冲；测量此时水体的电导率值，记为G2；
(4)上位机向单片机控制器发送信号控制高频信号发生器产生电磁脉冲，按照预先设定的增加的频率值第二次增加电磁脉冲的频率，记为f3，高频信号发生器产生频率为f3的电磁脉冲；测量此时水体的电导率值，记为G3；
(5)计算第一次增加频率时水体电导率的变化率、第二次增加频率时水体电导率的变化率，判断两次的电导率变化率的符号是否相同；若相同，则此时电磁脉冲的频率还未到达局部最优值，循环操作步骤(2)至步骤(5)；若两次的电导率变化率符号相反，则记录电导率值G2以及频率f2，频率f2为局部最优频率；
(6)循环操作步骤(2)至步骤(5)直到频率达到频率上限制，若不再出现两次的电导率变化率符号相反的情况，则记录的频率f2作为全局最优频率；若再出现两次的电导率变化率符号相反的情况，则记录此时的电导率值G2’以及频率f2’，频率f2’为局部最优频率，比较G2和G2’的大小，若G2’大于G2，则频率f2’更新为局部最优频率，否则记录的频率f2仍作为局部最优频率，循环操作直到频率增加到频率上限，将最终记录的局部最优频率作为全局最优频率；
(7)上位机向单片机控制器发送信号控制高频信号发生器产生电磁脉冲，高频信号发生器以全局最优频率产生电磁脉冲对水体进行除垢。
如图5所述，理论上待处理水体的电磁脉冲频率置于低频率，然后每隔一定的频率向上增加并测量当前水体的电导率值，通过测待处理水体的电导率值与电磁脉冲频率的曲线。通常，待除垢水体的除垢最优频率是未知的。因为电导率值是衡量水体除垢效果的最好标准，所以本方法通过检测单位电磁脉冲频率下电导率值变化率的归零值，即θG/θf＝0，以此寻找最优频率。这里G代表当前水体的电导率值，f代表电磁脉冲频率。算法的逻辑控制表如下表所示。
表1算法逻辑控制表
其中，df/dt＜0和dG/dt＜0同时成立时，表示随着频率的降低，电导率在降低，此时对应图5中的趋势I，此时需要增大频率，才能使得电导率回升；df/dt＜0和dG/dt＞0同时成立时，此时为趋势II，此时需保持当前趋势，继续减小频率，使得电导率往增加的方向；df/dt＞0和dG/dt＜0同时成立时，此时对应趋势IⅡ，此时需降低频率，使电导率回升；df/dt＞0和dG/dt＞0同时成立时，此时对应趋势IV，此时频率需继续增大，保持电导率增大趋势；
图5为理论上待处理水体的电导率值与电磁脉冲频率的曲线，除垢时将电量水体改变电磁脉冲频率的前后电导率值便可以计算出被测水体在单位电磁脉冲频率下的电导率值的变化率。当电导率值的变化率大于0时记做1，电导率值的变化率小于0时记做0。按照上述方法在不断增加电磁脉冲频率的同时，上位机不断获得当前时刻的电导率值及电磁脉冲频率并迅速计算出相应的电导率值的变化率，之后将前后两次测得的电导率值的变化率作异或运算： 当异或运算结果为0时，表示此时电磁脉冲频率还未到达最佳除垢频率；当异或运算结果为1时，表示此时电磁脉冲频率到达最佳除垢频率并记录下当前电磁脉冲频率。
但是，由于实际中的电导率值与电磁脉冲频率受温度、PH值、电磁场强度的影响并不是像理论图像一样严格光滑，总会有一些轻微的凹凸起伏的现象，如图6所示。而上述算法是一种基于爬山法的局部寻优算法，这必然会导致最优除垢频率陷入局部最优而不是全局最优的情况。为避免这一情况，本发明实现过程中如果发现一处的运算结果为1时，系统并不会立即判定当前电磁脉冲频率为全局最优频率，而是记录下当前的电导率值及电磁脉冲频率，系统继续向前运行直到遇到下一处的运算结果为1时，将此时的电导率值与之前记录的电导率值相比较，更新纪录较高的电导率值以及对应的局部最优频率，此时系统会继续向前运行，如果还有更优的峰值，系统会重复前一过程直至找到全局最优的电磁脉冲频率。如果系统向前运行一段时间之后没有发现高于当前记录的电导率值或者发现不了运算结果为1的情形时，系统便会选取当前记录的局部最优频率作为全局除垢最优值。这样通过爬山法寻找到的全局最优频率才不会因为实际曲线与理想曲线之间有差别而将局部最优频率误判为全局最优频率，使得除垢防垢的效果更好。
Claims (8)
1.一种基于爬山法的智能电磁除垢防垢方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设定频率下限值、频率上限值以及每次增加的频率值，系统进行初始化，上位机向单片机控制器发送信号，控制高频信号发生器产生以频率下限值为频率的电磁脉冲；
(2)通过数据采集器测量此时水体的电导率值，记为G1；上位机存储此时的电磁脉冲的频率，记为f1；
(3)上位机向单片机控制器发送信号，控制高频信号发生器产生电磁脉冲，按照预先设定的增加的频率值第一次增加电磁脉冲的频率，记为f2，高频信号发生器产生频率为f2的电磁脉冲；测量此时水体的电导率值，记为G2；
(4)上位机向单片机控制器发送信号控制高频信号发生器产生电磁脉冲，按照预先设定的增加的频率值第二次增加电磁脉冲的频率，记为f3，高频信号发生器产生频率为f3的电磁脉冲；测量此时水体的电导率值，记为G3；
(5)计算第一次增加频率时水体电导率的变化率、第二次增加频率时水体电导率的变化率，判断两次的电导率变化率的符号是否相同；若相同，则此时电磁脉冲的频率还未到达局部最优值，循环操作步骤(2)至步骤(5)；若两次的电导率变化率符号相反，则记录电导率值G2以及频率f2，频率f2为局部最优频率；
(6)循环操作步骤(2)至步骤(5)直到频率达到频率上限制，若不再出现两次的电导率变化率符号相反的情况，则记录的频率f2作为全局最优频率；若再出现两次的电导率变化率符号相反的情况，则记录此时的电导率值G2’以及频率f2’，频率f2’为局部最优频率，比较G2和G2’的大小，若G2’大于G2，则频率f2’更新为局部最优频率，否则记录的频率f2仍作为局部最优频率，循环操作直到频率增加到频率上限，将最终记录的局部最优频率作为全局最优频率；
(7)上位机向单片机控制器发送信号控制高频信号发生器产生电磁脉冲，高频信号发生器以全局最优频率产生电磁脉冲对水体进行除垢。
2.根据权利要求1所述的基于爬山法的智能电磁除垢防垢方法，其特征在于，所述步骤(1)中设定的频率下限为200Hz，频率上限为20MHz。
3.根据权利要求1或2所述的基于爬山法的智能电磁除垢防垢方法，其特征在于，测量水体的电导率的同时，还对水体温度进行测量。
4.根据权利要求1或2所述的基于爬山法的智能电磁除垢防垢方法，其特征在于，每次更改电磁脉冲的频率后，数据采集器多次采集水体的电导率，至水体的电导率趋于稳定时，才将稳定的电导率值作为更改频率后水体的电导率值。
5.根据权利要求1或2所述的基于爬山法的智能电磁除垢防垢方法，其特征在于，所述步骤(5)中判断第一次增加频率时水体电导率的变化率与第二次增加频率时水体电导率的变化率的符号是否相同的方法为：当电导率的变化率大于0时记做1，小于0时记做0；对两次电导率的变化率进行异或运算，若异或运算结果为0，则两者符号相同，若异或运算结果为1，则两者符号不同。
6.一种基于爬山法的智能电磁除垢防垢装置，其特征在于，包括数据采集器、单片机控制器、高频信号发生器、上位机，所述数据采集器与上位机电连接，数据采集器用于采集水体的电导率及电磁脉冲的频率；上位机根据数据采集器采集到的数据自动调整电磁脉冲的频率，并控制高频信号发生器产生相应频率的电磁脉冲。
7.根据权利要求6所述的基于爬山法的智能电磁除垢防垢装置，其特征在于，数据采集器包括电导率传感器，所述电导率传感器位于待处理水体的中心。
8.根据权利要求6或7所述的基于爬山法的智能电磁除垢防垢装置，其特征在于，数据采集器还包括数字式温度传感器，数字式温度传感器用于测量水体温度。
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