CN114147010B - 一种可自动跟踪频率的管道内壁超声清洗系统 - Google Patents

一种可自动跟踪频率的管道内壁超声清洗系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可自动跟踪频率的管道内壁超声清洗系统，包括依次连接的整流滤波电路、高频逆变电路、阻抗匹配电路、换能器；高频逆变电路和阻抗匹配电路连接控制模块，通过控制模块控制高频逆变电路和阻抗匹配电路，通过换能器连有反馈电路，电压幅值符合要求的直流电压流向逆变电路，经过逆变后的电压变为中频大功率的超声信号，阻抗匹配电路调整负载功率，大功率的超声信号驱动超声换能器，频率跟踪模块检测到的管道内泥沙震动的频率输入到控制模块形成闭环，检测管道内泥沙共振频率并自动调整超声信号频率，通过换能器输出功率最大，通过频率共振实现管道内附着泥沙的清除，实现在不损坏供水管道的基础上，将管道内壁淤积的泥沙清理干净。

Description

一种可自动跟踪频率的管道内壁超声清洗系统
技术领域
本发明涉及超声清洗领域，具体涉及一种可自动跟踪频率的管道内壁超声清洗系统。
背景技术
超声波是一种频率高于20kHz的声波，广泛应用于超声清洗、超声治疗等方面。超声去污装置利用金属和泥沙之间的共振频率不同的原理和超声波的空化效应来将管道内壁淤积的泥沙振动开来，最后通过管道内的水流将泥沙冲走。在水电厂中，由于冷却水取自生产用水(沉沙池或达尾水)，冷却水管路泥沙淤积较重，大量的泥沙附着在管道内壁，造成管道淤积。目前采用的方法是使用反冲的方法将淤积的泥沙冲走。但这种方法仅仅是一种折中的办法，冷却水管道上的污垢仅仅能够被冲走很少一部分，而大部分的污垢依然附着在管道内壁。而管道内壁上污垢的长期堆积，导致管道内过水直径小，进一步降低冷却效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是管道内壁附着的泥沙通过反冲法无法进行有效清除，大部分的污垢依然附着在管道内壁，目的在于提供一种可自动跟踪频率的管道内壁超声清洗系统，通过高频逆变电路和阻抗匹配电路使换能器输出功率最大，同时能够检测管道内泥沙振动频率并调整超声信号频率，通过增大换能器输出功率和频率共振实现管道内附着泥沙的清除。
本发明通过下述技术方案实现：
一种可自动跟踪频率的管道内壁超声清洗系统，包括依次连接的整流滤波电路、高频逆变电路、阻抗匹配电路、换能器；
高频逆变电路和阻抗匹配电路连接控制模块，控制模块用于控制高频逆变电路和阻抗匹配电路；
高频逆变电路用于将输入的电压幅值符合要求的直流电压变为中频大功率的超声信号；
阻抗匹配电路用于调整负载功率与换能器进行阻抗匹配；
换能器用于进行电声转换，换能器连接反馈电路，反馈电路包括频率跟踪模块，频率跟踪模块用于检测管道内泥沙震动的频率，反馈电路另一端连接控制模块形成闭环。
本发明通过设置依次连接的整流滤波电路、高频逆变电路、阻抗匹配电路、换能器，高频逆变电路和阻抗匹配电路连接控制模块，通过控制模块控制高频逆变电路和阻抗匹配电路，通过换能器连有反馈电路，电压幅值符合要求的直流电压流向逆变电路，经过逆变后的电压变为中频大功率的超声信号，阻抗匹配电路调整负载功率，大功率的超声信号驱动超声换能器，频率跟踪模块检测到的管道内泥沙震动的频率输入到控制模块形成闭环，能够检测管道内泥沙共振频率并自动调整超声信号频率，通过高频逆变电路和阻抗匹配电路使换能器输出功率最大，通过频率共振实现管道内附着泥沙的清除，实现在不损坏供水管道的基础上，将管道内壁淤积的泥沙清理干净。
作为本发明的进一步限定，高频逆变电路为全桥逆变电路，全桥逆变电路采用IPM模块。IPM内部的IGBT导通压降低,开关速度快,故IPM功耗小，适用于高频大功率场合。
作为本发明的进一步限定，阻抗匹配电路使用串联匹配电路，阻抗匹配电路用于使超声负载产生串联谐振与换能器相匹配。压电换能器的静态电容Cs做得很大，因此换能器整体阻抗呈现巨大的容性，通过阻抗匹配使换能器功率达到最大。
作为本发明的进一步限定，控制模块包括DDS模块、PWM模块，DDS模块和PWM模块生成算法结合控制高频逆变电路。通过控制高频逆变电路得到中频大功率信号。
作为本发明的进一步限定，DDS模块用于产生频率可变的波形信号。产生频率可变的波形信号后根据频率跟踪模块检测到的泥沙振动频率调整频率，使超声信号的频率与泥沙振动的频率相同。
作为本发明的进一步限定，DDS模块包括信号发生模块和信号处理模块，DDS模块包括信号发生模块和信号处理模块，信号发生模块用于产生信号，信号处理模块用于控制波形和幅值的输出；
信号发生模块包括系统时钟模块、DDS相位累加器模块、ROM模块：
时钟模块包括外部时钟、PLL锁相环、控制模块；
DDS相位累加器模块用于实现对输出信号频率的调节；
ROM模块包括四个定制ROM，四个定制ROM分别存储一种波形一个周期的数据。
信号处理模块幅度调节模块、波形选择模块以及占空比调节模块，幅度调节模块、波形选择模块以及占空比调节模块用于控制波形和幅值的输出。通过DDS模块对产生信号进行处理，根据频率跟踪模块进行波形信号的设定和输出，实现超声信号与管道内泥沙频率共振。
作为本发明的进一步限定，波形选择模块根据反馈电路检测到的频率值决定输出的波形数据，输出的波形包括正弦波、方波、三角波和锯齿波。多个波形选择以使达超声波与泥沙频率最接近，实现最大清淤效果。
作为本发明的进一步限定，控制波形和幅值的输出通过FPGA按照各控制字控制各个功能模块工作，功能模块包括频率增减按键、幅度调节按键、波形调节按键、工作步长按键、占空比按键。通过多个功能模块实现对输出波形的控制。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
能够使换能器达到最大功率，增强超声波的管道清洗能力，能够自动调整频率，提高清淤效果，可以实现管道无损、不停机、不影响运行方式的清淤。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中的总体设计结构图；
图2本发明实施例中的全桥逆变电路原理图；
图3本发明实施例中的阻抗匹配电路图；
图4为本发明实施例中的DDS模块结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
超声波是一种频率高于20kHz的声波，广泛应用于超声清洗、超声治疗等方面，超声去污装置利用金属和泥沙之间的共振频率不同的原理和超声波的空化效应来将管道内壁淤积的泥沙振动开来，最后通过管道内的水流将泥沙冲走。可以实现管道无损、不停机、不影响运行方式的清淤。
实施例1
本实施例提供一种可自动跟踪频率的管道内壁超声清洗系统，包括依次连接的整流滤波电路、高频逆变电路、阻抗匹配电路、换能器；高频逆变电路和阻抗匹配电路连接控制模块，控制模块用于控制高频逆变电路和阻抗匹配电路；高频逆变电路用于将输入的电压幅值符合要求的直流电压变为中频大功率的超声信号；阻抗匹配电路用于调整负载功率与换能器进行阻抗匹配；换能器用于进行电声转换，换能器连接反馈电路，反馈电路包括频率跟踪模块，频率跟踪模块用于检测管道内泥沙震动的频率，反馈电路另一端连接控制模块形成闭环，电压幅值符合要求的直流电压流向逆变电路，经过逆变后的电压变为中频大功率的超声信号，阻抗匹配电路调整负载功率，大功率的超声信号驱动超声换能器，频率跟踪模块检测到的管道内泥沙震动的频率输入到控制模块形成闭环，能够检测管道内泥沙共振频率并自动调整超声信号频率，通过高频逆变电路和阻抗匹配电路使换能器输出功率最大，通过频率共振实现管道内附着泥沙的清除，实现在不损坏供水管道的基础上，将管道内壁淤积的泥沙清理干净。
如图2所示,高频逆变电路为全桥逆变电路，全桥逆变电路采用IPM模块。IPM内部的IGBT导通压降低,开关速度快,故IPM功耗小，适用于高频大功率场合。在一些可能的实施例中，全桥逆变电路输出电压Uo为矩形波，其工作过程分析如下：在0到t1期间，V1和V4加有驱动信号，电流Ia为负，则V1和V4因为电流不能突变的原因而不能导通，由VD1、VD4续流，负载两端电压为Ua＝Ud，在t1至t2期间，同样，电流Ia此时为大于零的状态，且其两端还有驱动信号触发，则V1、V4导通，此时同样有负载两端电压为Uo＝Ud。t2至t3期间，V2、V3有触发驱动，由图知，此时电流Ia与电压不同向，因此电流不能够突变，V2、V3不能导通，只有VD2和VD3导通续流，输出电压Ua＝-Ud。t3到t4期间，V2、V3正式导通工作。每个周期相同，电路一直工作运行下去。理论上的逆变驱动信号同上所述，但在实际应用当中，其驱动信号必须留死区时间，这样做的目的是防止上下桥臂同时导通，损坏电路，因此对驱动信号留有一定的保护裕量。
如图3所示，阻抗匹配电路使用串联匹配电路，阻抗匹配电路用于使超声负载产生串联谐振与换能器相匹配。压电换能器的静态电容Cs做得很大，因此换能器整体阻抗呈现巨大的容性，通过阻抗匹配使换能器功率达到最大，控制模块包括DDS模块、PWM模块和频率跟踪模块，DDS模块和PWM模块生成算法结合控制高频逆变电路，经过逆变后的电压变为中频大功率的超声信号，大功率的超声信号驱动超声换能器，反馈电路的频率跟踪模块将检测到的管道内的泥沙振动的频率输出道控制模块中，控制模块发送频率控制信号至DDS模块,形成闭环控制。
如图4所示，DDS模块包括信号发生模块和信号处理模块，信号发生模块用于产生，信号处理模块用于控制波形和幅值的输出；信号发生模块包括系统时钟模块、DDS相位累加器模块、ROM模块：时钟模块包括外部时钟、PLL锁相环、控制模块；DDS相位累加器模块用于实现对输出信号频率的调节；ROM模块包括四个定制ROM，四个定制ROM分别存储一种波形一个周期的数据。信号处理模块包括幅度调节模块、波形选择模块以及占空比调节模块，幅度调节模块、波形选择模块以及占空比调节模块用于控制波形和幅值的输出。根据频率跟踪模块进行波形信号的设定和输出，实现超声信号与管道内泥沙频率共振。超声波内部发生模块实现步骤为：使用DDS模块信号发生模块生成四种波形，外部时钟经过PLL锁相环分频后向相位累计模块、地址发生器及波形输出模块提供时钟频率。控制模块通过控制相位累加器对DDS的频率进行控制，相位累加器输入相位增量字给地址发生器(频率寄存器)。在每个时钟脉冲到来时，相位增量数值加到地址寄存器中，地址寄存器将相位送给ROM，由ROM查询相位对应的数字值输出给波形输出单元。控制模块通过控制占空比调节模块调节方波信号的占空比，通过波形选择模块和幅值选择模块控制波形输出模块，进而控制波形和幅值的输出。根据信号发生器原理，通过改变频率控制字K来控制输出信号的频率fout，即fout＝k*fc/2N，其中为f系统时钟频率，N为相位寄存器的位数，波形选择模块根据反馈电路检测到的频率值决定输出的波形数据，输出的波形包括正弦波、方波、三角波和锯齿波，多个波形选择以使达超声波与泥沙频率最接近，实现最大清淤效果。
在一些可能的实施例中，控制波形和幅值输出通过FPGA按照各控制字控制各个功能模块工作，功能模块包括频率增减按键、幅度调节按键、波形调节按键、工作步长按键、占空比按键。通过多个功能模块实现对输出波形的控制。波形生成的步骤包括：初始化FPGA内部寄存器；输出默认频率为1KHz的正弦波信号；频率增减按键改变频率控制字、幅度调节按键改变幅度控制字、波形调节按键设置输出波形控制字、工作步长按键调节功率控制字；占空比按键调整方波占空比控制字，FPGA按照各控制字控制各个功能模块工作，输出指定的数字信号，输出各波形对应时刻的幅值，由多路选择器选择对应的波形，经DA转化电路得到目标输出波形。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可自动跟踪频率的管道内壁超声清洗系统，其特征在于，包括依次连接的整流滤波电路、高频逆变电路、阻抗匹配电路和换能器；
所述高频逆变电路和阻抗匹配电路连接控制模块，所述控制模块用于控制高频逆变电路和阻抗匹配电路；
所述控制模块包括DDS模块、PWM模块，所述DDS模块和PWM模块生成算法结合控制高频逆变电路；
所述DDS模块用于产生频率可变的波形信号；
所述DDS模块包括信号发生模块和信号处理模块，所述信号发生模块用于产生信号，所述信号处理模块用于控制波形和幅值的输出；
所述信号发生模块包括系统时钟模块、DDS相位累加器模块、ROM模块：
所述时钟模块包括外部时钟、PLL锁相环、控制模块；
所述DDS相位累加器模块用于实现对输出信号频率的调节；
所述ROM模块包括四个定制ROM，所述四个定制ROM分别存储一种波形一个周期的数据；
所述高频逆变电路用于将输入的电压幅值符合要求的直流电压变为中频大功率的超声信号；
所述阻抗匹配电路用于调整负载功率与换能器进行阻抗匹配；
所述换能器用于进行电声转换，所述换能器连接反馈电路，所述反馈电路包括频率跟踪模块，所述频率跟踪模块用于检测管道内泥沙震动的频率，所述反馈电路另一端连接控制模块形成闭环。
2.根据权利要求1所述的可自动跟踪频率的管道内壁超声清洗系统，其特征在于，所述高频逆变电路为全桥逆变电路，所述全桥逆变电路采用IPM模块。
3.根据权利要求1所述的可自动跟踪频率的管道内壁超声清洗系统，其特征在于，所述阻抗匹配电路使用串联匹配电路，所述阻抗匹配电路用于使超声负载产生串联谐振与换能器相匹配。
4.根据权利要求1所述的可自动跟踪频率的管道内壁超声清洗系统，其特征在于，所述信号处理模块包括幅度调节模块、波形选择模块以及占空比调节模块，所述幅度调节模块、波形选择模块以及占空比调节模块用于控制波形和幅值的输出。
5.根据权利要求4所述的可自动跟踪频率的管道内壁超声清洗系统，其特征在于，所述波形选择模块根据反馈电路检测到的频率值决定输出的波形数据，所述输出的波形包括正弦波、方波、三角波和锯齿波。
6.根据权利要求4所述的可自动跟踪频率的管道内壁超声清洗系统，其特征在于，所述控制波形和幅值的输出通过FPGA按照各控制字控制各个功能模块工作，所述功能模块包括频率增减按键、幅度调节按键、波形调节按键、工作步长按键、占空比按键。
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