CN112803923A - 一种自适应的电渗透脉冲发生装置及电渗透脉冲控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应的电渗透脉冲发生装置及电渗透脉冲控制方法。装置包括脉冲发生单元、控制模块、以及检测电渗透电流的电流检测单元；电流检测单元的输出端与控制模块的输入端连接，控制模块的输出端与脉冲发生单元的控制端连接，脉冲发生单元的正极输出端与工作阳极连接，脉冲发生单元的负极输出端与工作阴极连接；在电渗透工作过程中，控制模块根据电渗透电流大小调节脉冲发生单元输出的脉冲信号的正脉冲时间长度。根据电渗透电流大小自适应调节电渗透脉冲信号正脉冲时间长度，能够适应地下工程、混凝土结构、土壤等场景，以及适应不同的电渗透阶段，实现功率仅依据电渗透电流大小调节，避免电脉冲发生装置功率不够出现报警或烧毁的现象。
Description
技术领域
本发明涉及电渗透技术领域，特别是涉及一种自适应的电渗透脉冲发生装置及电渗透脉冲控制方法。
背景技术
土壤、混凝土等多孔介质中存在大量毛细管路，由于毛细吸附，毛细管路中一般充盈水份。由于晶格破损，土壤、混凝土等介质表面一般带负电，由于静电原理将导致表层水分子带负电。如果将土壤、混凝土等多孔介质置于电场中，水分子在电场作用下，将从阳极向阴极滑移，这一现象称为电渗透。
在施加适当的电场波形后，可将电渗透现象用于地下工程防水、地下水位降低、污泥脱水、食品干燥等行业，能有效的提高脱水效率。工程上应用是利用钛线在工程内壁开槽敷设设置阳极，采用铜棒在工程外部的土体(或岩体)内设置阴极，加入脉冲波形后，工程墙体内部的水份将向阴极移动，从而保持工程内部干燥。
目前电渗透大多采用固定时长的正负脉冲波形，正脉冲起到的作用为迁移水分子向阴极移动，负脉冲的作用是防止极化现象。一般的，正脉冲的时长为负脉冲的4至8倍，且时长固定，如图1所示。这种固定时长的电脉冲波形存在以下问题：
1、由于地下工程中，混凝土结构、土壤的性质差异加大，采用固定时长的正负脉冲波形适应性较差、效果不理想。
2、在正负脉冲切换的瞬间，由于毛细管路的电容效应，极易存在冲击电流，导致切换瞬间的电源短路；而在正脉冲、负脉冲持续阶段，由于不存在冲击电流，其电源又往往处于欠饱和状态，导致电源功率冗余。
3、土壤、混凝土等地下工程采用电渗透防水时，由于土壤、混凝土性质、面积、潮湿程度、离子浓度的不同，其阳极阴极之间的电阻往往事先无法准确计算，因此电脉冲发生装置的功率事先无法准确估计。工程上经常出现电脉冲发生装置功率不够出现报警或烧毁的现象。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种自适应的电渗透脉冲发生装置及电渗透脉冲控制方法。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种自适应的电渗透脉冲发生装置，包括脉冲发生单元、控制模块、以及检测电渗透电流的电流检测单元；所述电流检测单元的输出端与控制模块的输入端连接，控制模块的输出端与脉冲发生单元的控制端连接，脉冲发生单元的正极输出端与工作阳极连接，脉冲发生单元的负极输出端与工作阴极连接；在电渗透工作过程中，所述控制模块根据电渗透电流大小调节脉冲发生单元输出的脉冲信号的正脉冲时间长度。
上述技术方案：本装置通过电流检测单元检测电渗透电流，根据电渗透电流的大小自适应调节电渗透脉冲信号正脉冲时间长度，能够适应地下工程、混凝土结构、土壤等不同应用场景，以及适应不同的电渗透阶段，实现了装置的功率仅依据电渗透电流大小调节，避免了电脉冲发生装置功率不够出现报警或烧毁的现象，使得装置结构更简化。
在本发明的一种优选实施方式中，所述电渗透电流为工作阳极、电渗透目标、工作阴极组成通路的流通电流。
上述技术方案：该流通电流能够准确反映电渗透电流并便于采样。
在本发明的一种优选实施方式中，所述电流检测单元包括串接于检测工作阳极、电渗透目标、工作阴极组成通路中的采样电阻，所述控制模块采集所述采样电阻两端电压。
上述技术方案：结构简单，易实施。
在本发明的一种优选实施方式中，所述采样电阻串接于脉冲发生单元的正极输出端与工作阳极的连接通路上；或者所述采样电阻串接于脉冲发生单元的负极输出端与工作阴极的连接通路上。
上述技术方案：便于实施采样。
在本发明的一种优选实施方式中，所述脉冲发生单元包括由第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管构成的桥式电路；所述控制模块控制第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管的导通或关断。
上述技术方案：便于产生正负脉冲波形，且该脉冲波形的正负脉冲时长便于调节。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种基于本发明所述的自适应的电渗透脉冲发生装置的电渗透脉冲控制方法，包括：步骤S1，在电渗透初始阶段，将电渗透脉冲的正脉冲时间长度和负脉冲时间长度设为相等或相近；在电渗透初始阶段结束后，进入步骤S2；步骤S2，获取电渗透电流峰值Ip，若Ip＜I1，增大正脉冲时间长度，返回步骤S2，若Ip≥I1，停止增大正脉冲时间长度，所述I1表示冲击电流阈值。
上述技术方案：在电渗透初始阶段，电渗透目标内部水分含量高，正负脉冲切换的瞬间，由于毛细管路的电容效应，极易存在冲击电流，本方法在电渗透初始阶段采用正负脉冲时间长度比等于或接近于1：1的脉冲波，且脉冲波的周期相对电渗透其它工作阶段要小很多，由于正、负脉冲时间较短，因此对电容效应的充放电程度较低，正负脉冲切换瞬间的冲击电流相对较小，解决了切换瞬间的电源短路问题；在电渗透初始阶段之后的电渗透过程中，在不断增大正脉冲时间长度的同时考虑了切换冲击电流对电源的影响，对正脉冲时间长度的增大进行了限定，避免了冲击电流超过电源功率允许范围，正脉冲时间长度由冲击电流限制，在冲击电流逐渐增大到电源最大功率前，正脉冲时间长度被限定，实现了在切换冲击电流不损坏电渗透脉冲发生装置的前提下，装置输出尽可能大的功率，避免了功率冗余。
在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤S2中，若I2≤I＜I1，停止增大正脉冲时间长度之后，还包括：步骤S3，获取电渗透电流值I，若I2≤I，继续停止增大正脉冲时间长度，若I＜I2，进一步增大正脉冲时间长度，返回步骤S3，I2表示第二电流阈值。
上述技术方案：随着电渗透持续工作，介质逐渐干燥，冲击电流进一步降低，此时，通过上述技术特征进一步拉长正脉冲的时间长度，提高电渗透效率。
在本发明的一种优选实施方式中，判断所述电渗透初始阶段结束的方法为：获取电渗透电流值I，若I＜I3，则认为电渗透初始阶段结束，若I≥I3，则认为电渗透初始阶段没有结束，I3表示第三电流阈值，I3＜I1。
上述技术方案：能够根据电渗透电流实际大小做出初始阶段结束的判断，能够适应不同的电渗透场景。
在本发明的一种优选实施方式中，判断所述电渗透初始阶段结束的方法为：在电渗透启动时开始计时，当计时时间达到时间阈值，认为电渗透初始阶段结束，若计时时间未达到时间阈值，认为电渗透初始阶段未结束。
上述技术方案：方法简单，便于实施。
在本发明的一种优选实施方式中，在电渗透初始阶段，电渗透脉冲的周期为T秒，正脉冲时间长度为t1，负脉冲时间长度为t2，0＜(t1+t2)＜T＜1。
上述技术方案：该周期时长较后期的电渗透持续工作阶段的周期时长大大减小，能够有效避免电渗透初始阶段的电流冲击，提高了可靠性。
附图说明
图1是现有技术中电渗透采用的正负脉冲波形示意图；
图2是本发明一具体实施方式中自适应的电渗透脉冲发生装置的结构示意图；
图3是本发明一种应用场景中电渗透脉冲控制流程示意图。
附图标记：
1混凝土。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供了一种自适应的电渗透脉冲发生装置，在一种优选实施方式中，如图2所示，该装置包括脉冲发生单元、控制模块、以及检测电渗透电流的电流检测单元；电流检测单元的输出端与控制模块的输入端连接，控制模块的输出端与脉冲发生单元的控制端连接，脉冲发生单元的正极输出端与工作阳极连接，脉冲发生单元的负极输出端与工作阴极连接；在电渗透工作过程中，控制模块根据电渗透电流大小调节脉冲发生单元输出的脉冲信号的正脉冲时间长度。
在本实施方式中，电渗透目标优选但不限于为地下工程、土壤、混凝土1、食品。
在本实施方式中，工作阳极和工作阴极可分别安装于电渗透目标的内部和外部。工作阳极优选但不限于采用钛线，防腐能力强，能够有效的避免阳极腐蚀，在电渗透目标内壁螺旋敷设，具体施工步骤可为：剔槽、埋入钛线、导电混凝土填缝。工作阴极优选但不限于采用铜棒，由于电化学中的阴极保护，因此阴极可以使用一般的金属，而不会腐蚀，事先在电渗透目标(如混凝土1)上钻孔后，将铜棒埋入电渗透目标(如混凝土1)外侧的岩体或粘土层中。
在本实施方式中，控制模块优选但不限于选择单片机ATMEL89C2051，该单片机频率为12MHz，执行指令周期为1纳秒，内存128B，程序存储器为4K，具有I/O端口16个。为了提高可靠性，单片机采用看门狗软件MAX813L，逻辑芯片74LS00，避免程序跑飞和逻辑错误。
在本实施方式中，电流检测单元优选但不限于现有的霍尔式电流传感器。
在本实施方式中，在电渗透工作过程中，控制模块优选但不限于根据电渗透电流的峰值或幅值或平均值的大小调节脉冲发生单元输出的脉冲信号的正脉冲时间长度。
在一种优选实施方式中，电渗透电流为工作阳极、电渗透目标、工作阴极组成通路的流通电流。
在一种优选实施方式中，电流检测单元包括串接于检测工作阳极、电渗透目标、工作阴极组成通路中的采样电阻，控制模块采集采样电阻两端电压。
在本实施方式中，采样电阻的最值较小，一般小于10欧姆，优选但不限于为0.5欧姆。采样电阻可选择高精密电阻。采样电阻将电流转换为相应的电压值，然后通过单片机检测电压值，得到相应的电压峰值、电压幅值、电压平均值等数据，作为判断依据。
在一种优选实施方式中，采样电阻串接于脉冲发生单元的正极输出端与工作阳极的连接通路上；或者采样电阻串接于脉冲发生单元的负极输出端与工作阴极的连接通路上。
在一种优选实施方式中，脉冲发生单元包括由第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管构成的桥式电路；控制模块控制第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管的导通或关断。
在本实施方式中，桥式电路电路结构以及控制原理优选但不限于参考现有技术中公开号为CN107493092B、CN107334523B、CN202910438U的中国专利中公开的技术方案，在此不再赘述。第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管优选但不限于选择型号分别为IRF9540和IRF540场效应管各2支，搭建为桥式电路，通过轮流工作，将单电源转换为正负脉冲。
本发明还公开了一种基于上述自适应的电渗透脉冲发生装置的电渗透脉冲控制方法，在一种优选实施方式中，该方法包括：
步骤S1，在电渗透初始阶段，将电渗透脉冲的正脉冲时间长度和负脉冲时间长度设为相等或相近；在电渗透初始阶段结束后，进入步骤S2；
步骤S2，获取电渗透电流峰值Ip，若Ip＜I1，增大正脉冲时间长度，返回步骤S2，若Ip≥I1，停止增大正脉冲时间长度，I1表示冲击电流阈值。
在本实施方式中，正脉冲时间长度和负脉冲时间长度设为相等时，正脉冲和负脉冲时间长度比为1：1；正脉冲时间长度和负脉冲时间长度设为相近时，正脉冲和负脉冲时间长度比为X：1到1：Y之间，X和Y的取值范围均为0.9到1.1。
在本实施方式中，在步骤S2中，增大正脉冲时间长度优选但不限于采用固定或变化步进式增大，固定步进长度可根据多次试验选取，变化步进式增长中每次选取的步进可根据本次测得电渗透电流峰值与上一次相比的增量确定，增量越大本次步进越小。
在本实施方式的一种应用场景中，流程示意图如图3所示，电渗透开始后，在电渗透初始阶段，将电渗透脉冲的正负脉冲时间长度比设为1：1，实时检测电渗透电流的冲击电流，该冲击电流可认为是峰值电流，判断该冲击电流是否达到冲击电流阈值，若冲击电流达到冲击电流阈值，停止正脉冲时间长度增长，稍微缩短正脉冲时间长度，若冲击电流未达到冲击电流阈值，继续增长正脉冲时间长度。
在一种优选实施方式中，在步骤S2中，若Ip≥I1，停止增大正脉冲时间长度之后，还包括：
步骤S3，获取电渗透电流值I，若I2≤I＜I1，继续停止增大正脉冲时间长度，若I＜I2，进一步增大正脉冲时间长度，返回步骤S3，I2表示第二电流阈值。
在本实施方式中，电渗透电流值I优选但不限于为电渗透电流幅值或峰值或平均值。
在一种优选实施方式中，判断电渗透初始阶段结束的方法为：
获取电渗透电流值I，若I＜I3，则认为电渗透初始阶段结束，若I≥I3，则认为电渗透初始阶段没有结束，I3表示第三电流阈值，I3＜I1。
在本实施方式中，电渗透电流值I优选但不限于为电渗透电流幅值或峰值或平均值。
在一种优选实施方式中，判断电渗透初始阶段结束的方法为：
在电渗透启动时开始计时，当计时时间达到时间阈值，认为电渗透初始阶段结束，若计时时间未达到时间阈值，认为电渗透初始阶段未结束。
在一种优选实施方式中，在电渗透初始阶段，电渗透脉冲的周期为T秒，正脉冲时间长度为t1，负脉冲时间长度为t2，0＜(t1+t2)＜T＜1。
在本实施方式中，优选的，电渗透脉冲初始周期T为0.6秒，其中正脉冲时间长度t1为0.2秒、负脉冲时间长度t2为0.2秒，正负脉冲之间间隔为两个0.1秒。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种自适应的电渗透脉冲发生装置，其特征在于，包括脉冲发生单元、控制模块、以及检测电渗透电流的电流检测单元；
所述电流检测单元的输出端与控制模块的输入端连接，控制模块的输出端与脉冲发生单元的控制端连接，脉冲发生单元的正极输出端与工作阳极连接，脉冲发生单元的负极输出端与工作阴极连接；
在电渗透工作过程中，所述控制模块根据电渗透电流大小调节脉冲发生单元输出的脉冲信号的正脉冲时间长度。
2.如权利要求1所述的自适应的电渗透脉冲发生装置，其特征在于，所述电渗透电流为工作阳极、电渗透目标、工作阴极组成通路的流通电流。
3.如权利要求1所述的自适应的电渗透脉冲发生装置，其特征在于，所述电流检测单元包括串接于检测工作阳极、电渗透目标、工作阴极组成通路中的采样电阻，所述控制模块采集所述采样电阻两端电压。
4.如权利要求3所述的自适应的电渗透脉冲发生装置，其特征在于，所述采样电阻串接于脉冲发生单元的正极输出端与工作阳极的连接通路上；
或者所述采样电阻串接于脉冲发生单元的负极输出端与工作阴极的连接通路上。
5.如权利要求1所述的自适应的电渗透脉冲发生装置，其特征在于，所述脉冲发生单元包括由第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管构成的桥式电路；所述控制模块控制第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管的导通或关断。
6.一种基于权利要求1－5之一所述的自适应的电渗透脉冲发生装置的电渗透脉冲控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1，在电渗透初始阶段，将电渗透脉冲的正脉冲时间长度和负脉冲时间长度设为相等或相近；在电渗透初始阶段结束后，进入步骤S2；
步骤S2，获取电渗透电流峰值Ip，若Ip＜I1，增大正脉冲时间长度，返回步骤S2，若Ip≥I1，停止增大正脉冲时间长度，所述I1表示冲击电流阈值。
7.如权利要求6所述的电渗透脉冲控制方法，其特征在于，在所述步骤S2中，若Ip≥I1，停止增大正脉冲时间长度之后，还包括：
步骤S3，获取电渗透电流值I，若I2≤I＜I1，继续停止增大正脉冲时间长度，若I＜I2，进一步增大正脉冲时间长度，返回步骤S3，I2表示第二电流阈值。
8.如权利要求6所述的电渗透脉冲控制方法，其特征在于，判断所述电渗透初始阶段结束的方法为：
获取电渗透电流值I，若I＜I3，则认为电渗透初始阶段结束，若I≥I3，则认为电渗透初始阶段没有结束，I3表示第三电流阈值，I3＜I1。
9.如权利要求6所述的电渗透脉冲控制方法，其特征在于，判断所述电渗透初始阶段结束的方法为：
在电渗透启动时开始计时，当计时时间达到时间阈值，认为电渗透初始阶段结束，若计时时间未达到时间阈值，认为电渗透初始阶段未结束。
10.如权利要求6所述的电渗透脉冲控制方法，其特征在于，在电渗透初始阶段，电渗透脉冲的周期为T秒，正脉冲时间长度为t1，负脉冲时间长度为t2，正脉冲和负脉冲之间间隔为(T-t1-t2)秒，0＜(t1+t2)＜T＜1。
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