CN109570137A - 一种具有自诊断功能的超声波除垢装置 - Google Patents
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Abstract
一种具有自诊断功能的超声波除垢装置,超磁致伸缩棒组件组成为:励磁线圈绕制在超磁致伸缩棒上,两个永磁片分别吸附在超磁致伸缩棒上、下端面上,波导杆固定在上面一个永磁片的上表面上,电容下极板从上向下套装在波导杆上、并固定在该上面一个永磁片的上表面上;外壳的顶部和底部分别固定有上端盖和下端盖,电容上极板固定在上端盖的底面上,该伸缩棒组件置于圆筒形的外壳之中,且波导杆能从外壳上端盖的孔中伸出;还具有超声波电源以及电容测量电路、自诊断电路、故障指示电路。本装置具有磁致伸缩应变大、响应速度快、机电转换效率高、居里温度高等特点,能实时对超磁致伸缩棒的伸缩量进行检测,并对超声波除垢装置的工作状态进行实时诊断。
Description
技术领域
本发明涉自动诊断领域,尤其涉及一种具有自诊断功能的超声波除垢装置。
背景技术
近年来,为了实现对机械设备、锅炉等的快速、有效清洁,超声波除垢技术得到了迅速的发展。超声波除垢装置主要由超声波换能器及超声波电源组成,其中超声波换能器主要有压电换能器和超磁致伸缩换能器两类。超磁致伸缩换能器由于其所使用的磁致伸缩材料输出应变大、机电转换效率高、响应速度快等特点,被广泛用于超声波除垢领域。然而,一方面为了让超声波除垢装置达到更好的清洁效果,超磁致伸缩换能器中的超磁致伸缩棒需要产生较大的振动位移,这可能导致其出现机械断裂;另一方面超声波电源受工作时间和环境以及制作工艺影响也可能会出现问题;以上情况都会影响超声波除垢装置的除垢效果,所以有必要对超声波除垢装置的损坏情况进行诊断。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成度高的具有自诊断功能的超声波除垢装置。
本发明的目的是这样实现的:一种具有自诊断功能的超声波除垢装置,包括自诊断电路,超磁致伸缩棒组件组成为:励磁线圈绕制在超磁致伸缩棒上,两个永磁片分别固定在超磁致伸缩棒上、下端面上,波导杆固定在上面一个永磁片的上表面上,电容下极板从上向下套装在波导杆上、并固定在该上面一个永磁片的上表面上;外壳的顶部和底部分别固定有上端盖和下端盖,电容上极板固定在上端盖的底面上,该超磁致伸缩棒组件置于圆筒形的外壳之中,且波导杆能从外壳上端盖的孔中伸出;上述电容上、下极板为镀锌铁板;
还具有用作对励磁线圈供电的超声波电源,由整流电路,变频逆变电路和阻抗匹配电路构成,整流电路将输入的220V工频电压整成直流电压,通过高频逆变电路将直流逆变成高频方波,经过阻抗匹配电路提高电源的功率因数并且将方波滤成正弦波即高频正弦信号;
电容测量电路组成为:由频率是100KHz的正弦信号Ui连接固定电容C0后接于型号为LM318的运算放大器的正输入端,运算放大器的负输入端接地,运算放大器的输出端接至所述自诊断电路,由上述电容上极板和电容下极板组成的电容C的两端分别接于运算放大器的正输入端和输出端。
所述电容C上、下极板间距离变化的大小与超磁致伸缩棒的伸缩量相等,电容C有以下关系式C=εS/4πkd,式中,ε为电容C的介电常数,S为电容上、下极板的正对面积,d为电容上、下极板之间的垂直距离,k是静电力常数。
所述电容测量电路中,运算放大器输入阻抗很高,增益很大,其输出电压Uo为:式中,C电容,C0串联电容,Ui输入电压,根据此式,运算放大器的输出电压和电容极板之间的垂直距离d成比例关系。
还具有故障指示电路;所述自诊断电路为:接收电容测量电路输出的电压信号,当接收到的电压信号幅值变化不正常或者变化的频率不正常,自诊断电路判断出超磁致伸缩棒伸缩幅度不正常或者伸缩的频率不正常,进而判断出超声波除垢装置工作故障,自诊断电路输出故障信号给故障指示电路,当故障信号为超磁致伸缩棒伸缩幅度不正常时,故障指示电路中的红色指示灯亮,当故障信号为超磁致伸缩棒伸缩频率不正常时,故障指示电路中的绿色指示灯亮。
本发明包括超声波电源、电容测量电路、自诊断电路、故障指示电路、超磁致伸缩换能器。超磁致伸缩换能器包括外壳、永磁片、超磁致伸缩棒、波导杆、上端盖、励磁线圈,两个电容极板。超声波电源给超磁致伸缩换能器提供高频电流,驱动超磁致伸缩换能器工作,将电能转换为机械能。两个电容极板在超磁致伸缩换能器内部,与电容测量电路相连接,测量超磁致伸缩棒的伸缩量与伸缩频率。电容测量电路将超磁致伸缩棒的伸缩量与伸缩频率转换为电压信号输出连接到自诊断电路,自诊断电路可以将此时的电压与正常工作时的电压进行比较,进而判别超磁致伸缩换能器工作状态是否良好。
超磁致伸缩换能器内的超磁致伸缩棒外部绕有励磁线圈,当超声波电源给励磁线圈通交流电时,轴向会产生交变磁场,使超磁致伸缩棒产生周期性的伸长和缩短,随着伸缩棒的伸长和缩短,会带动波导杆产生超声振动,作用于负载。
电容测量电路通过测量超磁致伸缩换能器内部两个电容极板间电容的变化来判断超磁致伸缩换能器是否正常工作。当给超声波换能器通高频交流电时,励磁线圈也会产生相同频率的交变磁场,超磁致伸缩换能器的伸缩长度会随着磁场强度变化而变化,相对应的两个电容极板距离也会变化。由公式C=εS/4πkd可知,在电容的介电常数ε和极板正对面积S一定的情况下,电容C的大小和距离d呈反比,当超磁致伸缩换能器伸缩时,上极板固定在上端盖,下极板会随着换能器伸缩的方向移动,因此两个极板之间的电容会随之变化。电容测量电路采集到电容的变化,处理过后将电容量变为电压量,输入到自诊断电路。
自诊断电路接收电容测量电路输出的电压信号,当接收到的电压信号幅值变化不正常或者变化的频率不正常时,自诊断电路判断出超磁致伸缩棒伸缩幅度不正常或者伸缩的频率不正常,进而判断出超声波除垢装置工作故障,自诊断电路输出故障信号给故障指示电路,该故障指示电路包括幅度故障指示灯和频率故障指示灯,当故障信号为超磁致伸缩棒伸缩幅度不正常时,幅度故障指示灯亮红灯,否则亮绿灯,当故障信号为超磁致伸缩棒伸缩频率不正常时,幅度故障指示灯亮红灯,否则亮绿灯。
本发明的有益效果:
本发明利用内置的电容传感器测量超磁致伸缩棒的伸缩量及振动频率,从而对超声波除垢装置的工作状态进行实时诊断,并将诊断出的故障信号传输给故障指示电路,使该电路相应的指示灯闪亮。
附图说明
图1为本发明超磁致伸缩换能器的原理结构示意图。
图2为本发明的超磁致伸缩换能器内电容极板的立体示意图。
图3为本发明的系统结构框图。
图4为本发明电容测量电路图。
图1中,1-下端盖,2-永磁片,3-外壳,4-励磁线圈,5-超磁致伸缩棒,6-电容下极板,7-上端盖,8-电容上极板,9-波导杆,10-超声波电源,11-电容测量电路,12-自诊断电路,13-故障指示电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示,一种具有自诊断功能的超声波除垢装置,包括超磁致伸缩换能器其由下端盖1,永磁片2,外壳3,励磁线圈4,超磁致伸缩棒5,电容下极板6,上端盖7,电容上极板8,波导杆9构成;超声波电源10,电容测量电路11,自诊断电路12,故障指示电路13。
图1示出,超磁致伸缩棒组件组成为:励磁线圈4绕制在超磁致伸缩棒5上,两个永磁片2分别固定在超磁致伸缩棒5上、下端面上,波导杆9固定在上面一个永磁片的上表面,电容下极板6从上向下套装在波导杆9上、并固定在该上面一个永磁片的上表面;外壳3的顶部和底部分别固定有上端盖7和下端盖1,电容上极板8固定在上端盖7的底面上,该超磁致伸缩棒组件活动地置于圆筒形的外壳3之中,且波导杆9能从外壳3上端盖7的孔中伸出;上述电容上、下极板8、6为镀锌铁板;
还具有用作对励磁线圈4供电的超声波电源10,由整流电路,变频逆变电路和阻抗匹配电路构成,将输入的220V工频电压整成直流电压,通过高频逆变电路将直流逆变成高频方波,经过阻抗匹配电路提高电源的功率因数并且将方波滤成正弦波即高频正弦信号;
参见图2,电容上、下极板为圆板,中间有孔,供波导杆活动穿过。
电容测量电路11组成为:由频率是100KHz的正弦信号Ui连接固定电容C0后接于运算放大器的正输入端,运算放大器的负输入端接地,运算放大器的输出端接至所述自诊断电路12,由上述电容上极板8和电容下极板6组成的电容C的两端分别接于运算放大器的正输入端和输出端。
超声波电源给超磁致伸缩换能器提供高频电流,驱动超磁致伸缩换能器工作,将电能转换为机械能。两个电容极板在超磁致伸缩换能器内部,与电容测量电路的信号输入端相连接,测量超磁致伸缩棒的伸缩量与伸缩频率。电容测量电路将超磁致伸缩棒的伸缩量与伸缩频率转换为电压信号输出连接到自诊断电路,自诊断电路将此时的电压量与正常工作时的电压进行比较,进而判别超磁致伸缩换能器工作状态是否良好。
超声波电源由整流电路,逆变电路和阻抗匹配电路构成,将输入的220V工频电压整成直流电压,通过高频逆变电路将直流逆变成高频方波。通过阻抗匹配电路提高电源的功率因数并且将方波滤成正弦波,通入超磁致伸缩换能器内的励磁线圈,驱动超磁致伸缩换能器(即磁致伸缩棒)伸缩工作。
超磁致伸缩换能器内的超磁致伸缩棒外部绕有励磁线圈,当超声波电源给励磁线圈通交流电时,轴向会产生交变磁场,使超磁致伸缩棒产生周期性的伸长和缩短,随着伸缩棒的伸长和缩短,会带动波导杆产生超声振动,直接作用于负载。
如图1所示,电容上极板固定在超磁致伸缩换能器的上端盖不动,当给超磁致伸缩换能器通高频交流电时,励磁线圈也会产生相同频率的交变磁场,超磁致伸缩棒会随着磁场的变化进行伸缩,从而带动永磁片和波导杆以及固定在永磁片的电容下极板一起运动。因此电容上下极板之间的距离会随之发生改变,两极板间距离改变的大小与磁致伸缩棒的伸缩量相等,由公式C=εS/4πkd可知在电容的介电常数和极板正对面积一定的情况下,电容的大小和距离d呈反比,因此只需通过两电容极板的电容量的变化就可以直接得出伸缩量。
两极板(采用薄镀锌铁板制作)间的电容值以及电容变化值都十分微小,需要借助测量电路检出微小电容变化量,电容测量电路将电容变化量转换为与其成单值函数关系的电压。电容测量电路原理图如图4所示,高频正弦信号Ui经过固定电容C0输入至运算放大器的正输入端,两个电容极板之间的电容C接在运算放大器的正输入端和输出端之间,运算放大器的负输入端接地。运算放大器输入阻抗很高,增益很大,其输出电压Uo为:根据此式可见运算放大器的输出电压和电容极板之间的距离d成正比关系。
如图2所示,自诊断电路接收电容测量电路输出的电压信号,当接收到的电压信号幅值变化不正常或者变化的频率不正常时,自诊断电路判断出超磁致伸缩棒伸缩幅度不正常或者伸缩的频率不正常,进而判断出超声波除垢装置工作故障,自诊断电路输出故障信号给故障指示电路,该故障指示电路包括幅度故障指示灯和频率故障指示灯,当故障信号为超磁致伸缩棒伸缩幅度不正常时,幅度故障指示灯亮红灯,否则亮绿灯,当故障信号为超磁致伸缩棒伸缩频率不正常时,幅度故障指示灯亮红灯,否则亮绿灯。
Claims (5)
1.一种具有自诊断功能的超声波除垢装置,包括自诊断电路(12),其特征在于,超磁致伸缩棒组件组成为:励磁线圈(4)绕制在超磁致伸缩棒(5)上,两个永磁片(2)分别固定在超磁致伸缩棒(5)上、下端面上,波导杆(9)固定在上面一个永磁片的上表面上,电容下极板(6)从上向下套装在波导杆(9)上、并固定在该上面一个永磁片的上表面上;外壳(3)的顶部和底部分别固定有上端盖(7)和下端盖(1),电容上极板(8)固定在上端盖(7)的底面上,该超磁致伸缩棒组件活动地置于圆筒形的外壳(3)之中,且波导杆(9)能从外壳(3)上端盖(7)的孔中伸出;上述电容上、下极板(8、6)为镀锌铁板;
还具有用作对励磁线圈(4)供电的超声波电源(10),由整流电路,变频逆变电路和阻抗匹配电路构成,将输入的220V工频电压整成直流电压,通过高频逆变电路将直流逆变成高频方波,经过阻抗匹配电路提高电源的功率因数并且将方波滤成正弦波即高频正弦信号;
电容测量电路(11)组成为:由频率是100KHz的正弦信号Ui连接固定电容C0后接于运算放大器的正输入端,运算放大器的负输入端接地,运算放大器的输出端接至所述自诊断电路(12),由上述电容上极板(8)和电容下极板(6)组成的电容C的两端分别接于运算放大器的正输入端和输出端。
2.根据权利要求1所述的一种具有自诊断功能的超声波除垢装置,其特征在于,所述电容C上、下极板(8、6)间距变化的大小与超磁致伸缩棒(5)的伸缩量相等,且电容C有以下关系式C=εS/4πkd,式中,ε为电容C的介电常数,S为电容上、下极板的正对面积,d为电容上、下极板之间的垂直距离,k是静电力常数。
3.根据权利要求2所述的一种具有自诊断功能的超声波除垢装置,其特征在于,所述电容测量电路中,运算放大器输入阻抗很高,增益很大,其输出电压Uo为:根据此式,运算放大器的输出电压和电容极板之间的垂直距离d成比例关系。
4.根据权利要求1所述的一种具有自诊断功能的超声波除垢装置,其特征在于,所述自诊断电路为:接收电容测量电路输出的电压信号,当接收到的电压信号幅值变化不正常或者变化的频率与超声波电源频率不一致时,自诊断电路判断出超磁致伸缩棒伸缩幅度不正常或者伸缩的频率不正常,进而判断出超声波除垢装置工作故障,自诊断电路输出故障信号给故障指示电路。
5.根据权利要求4所述的一种具有自诊断功能的超声波除垢装置,其特征在于,所述故障指示电路为:包括幅度故障指示灯和频率故障指示灯,当故障信号为超磁致伸缩棒伸缩幅度不正常时,幅度故障指示灯亮红灯,否则亮绿灯,当故障信号为超磁致伸缩棒伸缩频率不正常时,幅度故障指示灯亮红灯,否则亮绿灯。
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