CN115333393A - 一种高频电加热阻垢除垢系统及方法 - Google Patents

一种高频电加热阻垢除垢系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高频电加热阻垢除垢系统及方法，属于除垢与阻垢技术领域，包括高频逆变器、传输电缆以及原设备已有的电热丝(电感线圈)。本发明采用高频逆变电路技术在加热水体的同时利用电热丝自有的电感(谐振电感)产生高频电磁场，以此实现在进行水体加热的同时集电热丝的阻垢、除垢等多功能于一体的功能；并且在安装上极为便利，仅需连接高频逆变器即可，无需更换用于加热的电热丝负载，无需定期擦洗电极，除垢效果好，设备简单并且效率高，值得被推广使用。

Description

一种高频电加热阻垢除垢系统及方法
技术领域
本发明涉及除垢与阻垢技术领域，具体涉及一种高频电加热阻垢除垢系统及方法。
背景技术
在工业、商业以及民用等使用电加热水的环境中，电热丝经水长时间的侵蚀和各种不溶物质的附着，会使外壁结垢、甚至滋生微生物，影响水加热系统的正常运行和人体健康。水垢主要是因水体中所含钙、镁等的盐类受热后析出并粘结于金属表面而形成。水垢结于加热设备如电热丝的受热面上，会大大恶化传热效果，影响加热效率；容易使金属材料的电热丝因局部过热而烧坏，甚至发生爆管事故。
目前水垢形成一般采用机械的或化学的方法予以清除和加入化学阻垢剂，但机械清除的方式必须拆除加热设备，费时费力，化学阻垢法不可避免地会给环境带来二次污染，尤其是饮用水，无法加入阻垢剂。为此，提出一种高频电加热阻垢除垢系统及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决以往的电加热设备在加热水体同时无法阻止水垢在加热的电热丝上结垢和无法除垢的问题，提供了一种高频电加热阻垢除垢系统，本系统能够适应于不同的水质环境，且能够有效的阻垢和除垢、有效延长水加热设备的使用寿命。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括：开关驱动信号发生电路、驱动信号放大电路、全桥逆变电路、串联LC谐振电路、状态参数检测电路、信号处理器；所述开关驱动信号发生电路、所述驱动信号放大电路、所述全桥逆变电路依次电性连接，所述驱动信号放大电路、所述开关驱动信号发生电路、所述串联LC谐振电路均与所述信号处理器连接，所述状态参数检测电路与所述串联LC谐振电路电性连接，所述串联LC谐振电路包括用于作为电热丝的电感线圈、谐振电容，所述电感线圈与所述谐振电容串联，所述电感线圈位于待加热水体中。
更进一步地，所述高频电加热阻垢除垢系统还包括LCD显示电路，所述LCD显示电路与所述信号处理器电性连接。
更进一步地，所述高频电加热阻垢除垢系统还包括频率检测模块，所述驱动信号放大电路通过所述频率检测模块与所述信号处理器电性连接。
更进一步地，所述高频电加热阻垢除垢系统还包括温度检测模块，所述温度检测模块用于检测待加热水体的温度。
更进一步地，所述全桥逆变电路中设置有4个开关，分别为第一开关、第二开关、第三开关、第四开关，所述电感线圈与所述谐振电容串联后的一端连接在所述第一开关、第二开关之间，另一端连接在所述第三开关、第四开关之间。
本发明还提供了一种高频电加热阻垢除垢方法，采用上述的系统进行电热丝的阻垢与除垢工作，包括以下步骤：
S1：由信号处理器产生全桥逆变电路的4个开关的驱动信号经驱动信号放大电路放大；
S2：利用开关驱动信号发生电路控制全桥逆变电路的4个开关的通断频率及通断时间，使全桥逆变电路输出双极性方波；
S3：串联LC谐振电路在谐振时可产生正弦或余弦的交变电流，在电热丝附近产生高频交变电磁场，高频交变电磁场使电热丝附近的成垢离子结合成大量的文石晶核，进而实现防垢、除垢。
更进一步地，在所述步骤S2中，状态参数检测电路检测串联LC谐振电路中的电流通过信号处理器处理后锁定谐振频率。
本发明相比现有技术具有以下优点：该高频电加热阻垢除垢系统，采用高频逆变电路技术在加热水体的同时利用电热丝自有的电感(谐振电感)产生高频电磁场，以此实现在进行水体加热的同时集电热丝的阻垢、除垢等多功能于一体的功能；并且在安装上极为便利，仅需连接高频逆变器即可，无需更换用于加热的电热丝负载，无需定期擦洗电极，除垢效果好，设备简单并且效率高，值得被推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例中高频电加热阻垢除垢系统结构框图；
图2是本发明实施例中电热丝工艺结构图以及磁场分布图；
图3是本发明实施例中信号处理器锁定谐振频率的控制流程图；
图4是本发明实施例中全桥逆变电路的结构示意图；
图5是本发明实施例中系统输出仿真图；
图6是本发明实施例中霍尔元件示意图；
图7是本发明实施例中开关驱动信号发生电路的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种技术方案：一种高频电加热阻垢除垢系统，包括一台主机(高频逆变器)和传输电缆以及原设备已有的电热丝(电感线圈)，其中主机(逆变器)包括开关驱动信号发生电路(高频同步驱动信号发生电路)、驱动信号放大电路(高频驱动信号放大电路)、双极性方波调制电路(全桥逆变电路)、谐振电容、状态参数检测电路、LCD显示电路、信号处理器(CPU，例如单片机)及保护电路等。本发明采用基于LC串联谐振的双极性方波-正弦波转换技术，克服普通变频电源在由于在高频段载波频率过高导致系统控制复杂、功率因素低的缺点；采用独有的频率跟踪与锁定技术在加热水体的同时在电热丝附近产生最大的感应电磁场，以此实现达到阻垢和除垢的效果；本发明的开关驱动信号发生电路，能够根据谐振回路的电压或电流的测量实时的输出最优频率的时钟信号作为全桥逆变电路开关的驱动信号，控制开关的开启与关断。
如图1所示，由信号处理器产生的用于双极性方波调制电路(全桥逆变电路)的4个开关(即图4中的开关K1、K2、K3、K4)的驱动信号经驱动信号放大电路放大后，控制全桥逆变电路的4个开关的通断频率及通断时间，从而使全桥逆变电路输出双极性方波，该双极性方波通过谐振电容和原设备已有的电热丝(电感线圈)组成的串联LC谐振电路，在谐振时可产生正弦或余弦的交变电流(见图5所示的系统输出仿真图)，从而在电热丝(电感线圈)附近产生高频交变电磁场，状态参数检测电路可以检测LC回路电流通过信号处理器处理后锁定谐振频率(见图3控制流程图)，LC回路电流经过信号处理器可以把它处理成频率和相位最佳的一个电流信号。
在本实施例中，图4中的电感L即电热丝(电感线圈)，电容C即谐振电容。
在本实施例中，所述高频交变电磁场使电热丝附近的成垢离子结合成大量的文石晶核(见图2所示的电热丝工艺结构图以及磁场分布图)，当水中矿物质含量超过水的饱和溶解度时，成垢离子就会析出并优先生长在这些晶核上形成文石晶体同时阻止离子在电热丝表面的附着。此时向电热丝表面的析出水垢的趋势被转化成悬浮在水中的大量文石晶核上析出形成文石晶体。
需要说明的是，文石晶体的粘附性很弱，呈松软絮状，悬浮在水中由水流带走或沉积于加热容器的底部，达到了电热丝的防垢、除垢的目的。
在本实施例中，高频同步驱动信号发生电路是本系统的核心，根据对回路电流的检测实时的输出并锁定最优频率的驱动信号，使电路处在谐振状态。
需要说明的是，LC谐振式传感器的核心组成部分为由电感、电容串联组成的LC谐振回路，其中电感或电容作为敏感单元感受被测量(例如：压力、温度、化学量等)，将被测量转化为LC谐振回路的谐振频率；为获取LC谐振式传感器信号，还需要检测电路与之匹配；其检测原理主要基于阻抗变化法，即利用传感器与读取线圈的等效输入阻抗的频率特性(幅度-频率、相位-频率、实部-频率、虚部-频率)间接测量传感器的谐振频率从而达到锁定频率的效果。
在本实施例中，状态参数检测电路用于对回路电流进行实时检测，信号处理器对检测到的信号进行处理后输出并锁定谐振频率，最后通过LCD显示出来。
在本实施例中，如图7所示，开关驱动信号发生电路通过电容和电感并联组合而成。
在本实施例中，驱动信号放大电路一般包括信号源、晶体三极管构成的放大器及负载，输入信号加在晶体三极管发射极和基极之间，输出信号由集电极和基极取出，输入回路和输出回路的公共端是基极。
如图6所示，在本实施例中，状态参数检测电路主要包括霍尔元件，将其置于全桥逆变电路和电热丝之间；将全桥逆变电路的输出与霍尔元件的输入端连接，霍尔元件的输出端与电热丝连接。
电源频率检测器(频率检测模块)和温度传感器(温度检测模块)；电源频率检测器主要的硬件结构基于555定时器实现，555定时器主要包括25个晶体管和2个二极管和15个电阻构成，并通过8个引脚引出；温度传感器为T121型温度传感器构成。
综上所述，上述实施例的高频电加热阻垢除垢系统，采用串联谐振技术，将利用电热丝自有的电感，通过一个串联电容使加热回路形成串联谐振电路，并依据对谐振回路的电流检测通过信号处理器自动产生最佳的开关驱动频率，控制全桥逆变电路路的开关使串联谐振电路产生谐振，并实现定频率跟踪锁定，以此使电热丝附近的感应电磁场最大，达到最佳的阻垢、除垢效果，本发明采用高频逆变电路技术在加热水体的同时利用电热丝自有的电感(谐振电感)产生高频电磁场，以此实现在进行水体加热的同时集电热丝的阻垢、除垢等多功能于一体的功能，安装上极为便利，仅需连接高频逆变器即可，无需更换用于加热的电热丝负载，无需定期擦洗电极，除垢效果好，设备简单并且效率高，值得被推广使用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种高频电加热阻垢除垢系统，其特征在于，包括：开关驱动信号发生电路、驱动信号放大电路、全桥逆变电路、串联LC谐振电路、状态参数检测电路、信号处理器；所述开关驱动信号发生电路、所述驱动信号放大电路、所述全桥逆变电路依次电性连接，所述驱动信号放大电路、所述开关驱动信号发生电路、所述串联LC谐振电路均与所述信号处理器连接，所述状态参数检测电路与所述串联LC谐振电路电性连接，所述串联LC谐振电路包括用于作为电热丝的电感线圈、谐振电容，所述电感线圈与所述谐振电容串联，所述电感线圈位于待加热水体中。
2.根据权利要求1所述的一种高频电加热阻垢除垢系统，其特征在于：所述高频电加热阻垢除垢系统还包括LCD显示电路，所述LCD显示电路与所述信号处理器电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种高频电加热阻垢除垢系统，其特征在于：所述高频电加热阻垢除垢系统还包括频率检测模块，所述驱动信号放大电路通过所述频率检测模块与所述信号处理器电性连接。
4.根据权利要求3所述的一种高频电加热阻垢除垢系统，其特征在于：所述高频电加热阻垢除垢系统还包括温度检测模块，所述温度检测模块用于待加热水体的温度。
5.根据权利要求4所述的一种高频电加热阻垢除垢系统，其特征在于：所述全桥逆变电路中设置有4个开关，分别为第一开关、第二开关、第三开关、第四开关，所述电感线圈与所述谐振电容串联后的一端连接在所述第一开关、第二开关之间，另一端连接在所述第三开关、第四开关之间。
6.一种高频电加热阻垢除垢方法，其特征在于，采用如权利要求1～5任一项所述的系统进行电热丝的阻垢与除垢工作，包括以下步骤：
S1：由信号处理器产生全桥逆变电路的4个开关的驱动信号经驱动信号放大电路放大；
S2：利用开关驱动信号发生电路控制全桥逆变电路的4个开关的通断频率及通断时间，使全桥逆变电路输出双极性方波；
S3：串联LC谐振电路在谐振时可产生正弦或余弦的交变电流，在电热丝附近产生高频交变电磁场，高频交变电磁场使电热丝附近的成垢离子结合成大量的文石晶核，进而实现防垢、除垢。
7.根据权利要求6所述的一种高频电加热阻垢除垢方法，其特征在于：在所述步骤S2中，状态参数检测电路检测串联LC谐振电路中的电流通过信号处理器处理后锁定谐振频率。
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