CN109590280A - 一种基于fpga的超声导波充液管道的除垢系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统，属于超声无损去除技术领域。本发明提出的除垢系统主要包括信号源发生、数据采集、功率放大、波形显示和驱动除垢模块。当发现充液管道污垢堆积，可通过FPGA开发板DDS控制器识别输入的按键，去调用相应的ROM核，DA模块将ROM核中的数字信号转换为模拟信号，从而产生电压信号；通过数据采集装置进行采集，并传输给功率放大器；放大后的电压信号，驱动楔形压电传感器，传感器将电压信号转换为机械振动信号；机械振动信号，即超声导波在管壁传播，部分能量泄露或折射到污垢处，通过空化作用达到去除污垢的效果。利用本除垢系统，可以高效、快速、安全地去除污垢，在食品化工等领域具有较高的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统，属于超声无损去除技术领域。
背景技术
管道在输送流体方面具有优势，在经济和社会发展中起着重要作用。然而，管道污染是一个业界必须引起关注的问题。它迫使相关行业定期清除污垢，甚至更换管道。如果除垢操作不及时或不合适，也可能导致管道变形，泄漏甚至爆裂。
目前国内外的污垢去除技术有很多，但是总结起来可分为：物理除垢和化学除垢。(1)物理冲刷法，利用水或者其他液体或者固体来通过机械和摩擦力进行污垢的去除，但该方法存在停止正常生产、替换管道内物质、局部压力过大等一系列问题。(2)化学腐蚀法，利用酸性或者其他腐蚀性的溶液来溶解污垢，还需要大量的水来冲洗管壁，因此会造成大量溶液和水资源的浪费，除此之外酸性和腐蚀性的溶液也会腐蚀金属材质的管道，存在安全生产的间接风险。(3)超声波除垢法，通过机械振动和空化效应去除污垢，但是覆盖范围有限，除垢效果不佳。
一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统能够利用超声导波进行长距离大范围的传播，还能够在不影响正常生产的情况下，通过超声导波空化效应达到去除污垢的效果，除垢效率明显。该系统可以应用在石油化工和食品等领域，而且还可以达到阻止污垢生成的效果。
发明内容
本发明设计的一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统，可解决污垢去除技术的现有问题，实现在不影响正常生产的情况下，快速、高效、安全的去除污垢。
为达到以上目的，本发明的采取的技术设计方案包含以下步骤：
S1、当发现充液管道由于污垢的堆积导致局部压力过大或产生明显的形变时，FPGA开发板产生电压信号；
S2、经过步骤S1产生的电压信号，通过数据采集装置进行采集，并传输给功率放大器；
S3、经过步骤S2功率放大后的电压信号，驱动楔形压电传感器，传感器将电压信号转换为机械振动信号；
S4、经过步骤S3产生的机械振动信号，即超声导波在管壁传播，部分能量泄露或折射到污垢和管内液体处，通过超声导波的空化作用达到去除污垢的效果。
所述的由FPGA开发板实现的信号源发生模块，包含按键输入模块、DDS控制模块和显示模块。产生的信号源包含以下步骤：
S1、按键输入模块是通过定义波形、频率和振幅三个控制按键和一个复位按键实现正弦波、方波和三角波的转换；
S2、经过步骤S1产生的按键输入模块，通过Verilog代码编写实现DDS控制模块，并将不同波形的数字信号初始化到IP核数据，实现高效快速。
S3、经过步骤S2产生的DDS控制模块，通过FPGA开发板识别输入的按键，去调用相应的ROM核，DA模块将ROM核中的数字信号转换为模拟信号；
S4、经过步骤S3产生的信号，通过显示模块LCD显示数字字母组合和VGA口输出到显示器实现。
所述的一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统，其特征在于包含以下模块：信号源发生、数据采集、功率放大、波形显示和驱动除垢模块。污垢去除包含以下步骤：
S1、经过信号发生模块产生的信号，通过数据采集模块传输给功率放大模块；
S2、经过步骤S1产生放大后的信号，输送给驱动除垢模块，即压电传感器产生超声导波，利用空化作用进行除垢工作，同时输送给数字示波器显示放大后的波形。
所述的压电传感器为楔形，便于更好的贴合充液管道外壁，减少能量的损失。
所述的超声导波模式为F弯曲波，工作频率约为37KHz，工作电压约200Vp-p，除垢系统工作约30分钟。
所述的压电传感器组合形式为阵列式，用金属环氧胶固定阵列楔形传感器于管道始端，用放大电压信号驱动压电传感器，同时产生F模态的超声导波在管壁传播，通过空化作用将污垢去除，达到除垢的效果。
与现有国内外污垢去除技术相比，本发明具有以下优点和效果：
1)覆盖范围广，传播时覆盖管子的整个曲面；
2)传播距离远，传播距离可达几公里；
3)不影响正常生产，可不用完全去除管外壁包覆层；
4)适用性强，本系统也可用于去除其他污垢，如硫酸钙、磷酸钙等。另外还可应用在石油化工和食品等领域，达到阻止污垢生成的效果，在源头减少或阻止污垢的产生。
附图说明
图1为本发明一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统的系统原理图。
图2为本发明一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统的FPGA信号源的总体架构图。
图3为本发明一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统的污垢去除前后管壁实物图。
图4为本发明一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统的污垢去除前后管壁电镜图。
具体实施方式
下面结合实例和附图来进行进一步的说明，以下实例只是描述性的语言且不是限定性的语言，不能以此为据限定本发明的保护范围。
本发明一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统的系统，主要构思为将PFGA开发与超声导波除垢结合起来，本系统具有FPGA高灵活性和便捷性，并且利用超声导波覆盖范围广、传播距离远、不影响正常生产等优势，可以满足高效、快速、安全去除污垢的目的。
具体实验步骤如下：
(1)一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统，如图1为系统原理图，主要包括信号源发生、数据采集、功率放大、波形显示和驱动除垢模块。图2为FPGA信号源的总体架构图，主要包括按键输入模块、DDS控制模块和显示模块。
(2)按键数模块通过三个按键进行输出，DDS控制模块识别按键的输入信号后，通过地址信号去调用相应ROM核内存储的波形数据，将数据输送给显示模块，实现信号源激励的功能。
(3)信号源经过功率放大模块后，输出200Vp-p电压信号至驱动除垢模块，此时楔形压电传感器被激励开始工作，与此同时示波器可以显示波形信息。
(4)采用管长1m，外径为60mm，壁厚4mm的内壁有污垢且充液的304不锈钢管进行实际污垢去除实验。采用的304不锈钢管物理参数为：密度7930kg/m3，弹性模量195GPa，泊松比0.247。采用管道内壁污垢主要成分为碳酸钙，物理参数为：密度2930kg/m3(25℃)，弹性模量41GPa，泊松比0.3。采用的液体为水，物理参数为：密度997kg/m3(25℃)，弹性模量2.06GPa，泊松比0.5。
(5)采用的压电传感器为阵列式，4个传感器被紧密安放在实验管的始端，通过阀门将钢管内充满水并进行密封，实验管水平放置与支架上，如图1所示。楔形压电传感器产生的为F模态的超声导波，除垢工作频率约为37KHz，工作电压约200Vp-p，除垢系统工作约30分钟。
(6)污垢去除前后结果如图3和图4所示。其中，图3所示是污垢去除前后管内壁的对比实物图，可以看出经过系统实验部分污垢已经去除；图4所示是污垢去除前后管内壁的对比电镜图，污垢的厚度变薄、面积变小，另外从实物图和电镜图均未发现管内壁有破坏的现象。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换。
Claims (6)
1.一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统，其特征在于包含以下步骤：
S1、当发现充液管道由于污垢的堆积导致局部压力过大或产生明显的形变时，FPGA开发板产生电压信号；
S2、经过步骤S1产生的电压信号，通过数据采集装置进行采集，并传输给功率放大器；
S3、经过步骤S2功率放大后的电压信号，驱动楔形压电传感器，传感器将电压信号转换为机械振动信号；
S4、经过步骤S3产生的机械振动信号，即超声导波在管壁传播，部分能量泄露或折射到污垢和管内液体处，通过超声导波的空化作用达到去除污垢的效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统，其特征在于所述的由FPGA开发板实现的信号源发生模块，包含按键输入模块、DDS控制模块和显示模块，产生的信号源包含以下步骤：
S1、按键输入模块是通过定义三个波形、频率和振幅控制按键和一个复位按键实现正弦波、方波和三角波的转换；
S2、经过步骤S1产生的按键输入模块，通过Verilog代码编写实现DDS控制模块，并将不同波形的数字信号初始化到IP核数据，实现高效快速；
S3、经过步骤S2产生的DDS控制模块，通过FPGA开发板识别输入的按键，去调用相应的ROM核，DA模块将ROM核中的数字信号转换为模拟信号；
S4、经过步骤S3产生的信号，通过显示模块LCD显示数字字母组合和VGA口输出到显示器实现。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统，其特征在于包含以下模块：信号源发生、数据采集、功率放大、波形显示和驱动除垢模块，污垢去除包含以下步骤：
S1、经过信号发生模块产生的信号，通过数据采集模块传输给功率放大模块；
S2、经过步骤S1产生放大后的信号，输送给驱动除垢模块，即压电传感器产生超声导波，利用空化作用进行除垢工作，同时输送给数字示波器显示放大后的波形。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统，其特征在于：所述的压电传感器为楔形，便于更好的贴合充液管道外壁，减少能量的损失。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统，其特征在于：所述的超声导波模式为F弯曲波，工作频率约为37KHz，工作电压约200Vp-p，除垢系统工作约30分钟。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的超声导波充液管道的除垢系统，其特征在于：所述的压电传感器组合形式为阵列式，用金属环氧胶固定阵列楔形传感器于管道始端，用放大电压信号驱动压电传感器，同时产生F模态的超声导波在管壁传播，通过空化作用将污垢去除，达到除垢的效果。
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