CN116571504B - 一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于原材料处理技术领域，具体涉及一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统及方法，系统包括空化处理系统和自反馈调节系统，空化处理系统包括：高压空化釜，高压空化釜内设置滤网、搅拌器、加热棒、温度传感器和压力传感器，高压空化釜底部设置有功率超声换能器，高压空化釜上设置有进水管，进水管与柱塞泵连接，其上设置有第一电磁阀；自反馈调节系统包括数据采集控制器、超声波发生器，数据采集控制器的输入端与温度传感器和压力传感器连接，输出端与超声波发生器、第一电磁阀、加热棒连接，本发明可以提高超声空化效率和效果。
Description
技术领域
本发明属于原材料处理技术领域，具体涉及一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统和方法。
背景技术
超声波具有其他声波所不具有的特点，相较于其他声波，超声波的波长较长、频率高同时穿透能力较强，每个物体都有自己的固有频率，但外部激励频率和自身固有的频率一致时，就会发生共振现象。
随着我国制造行业的迅猛发展，超声波清洁的应用也越来越广泛，包括医学、纺织、化工、航天航空以及原子能都离不开这种技术，对于超精密的仪器而言，为了提高零部件的抗振能力以及降低工况下的噪音，提高设备的使用寿命，必须提高零部件表面的清洁，超声波清洗技术通过对零部件施加巨大的物理能量，使得清洁介质振动并空化为气泡，此种清洁方式全面性高，可以对材料进行360°无死角的清洁。
目前采用的超声清洁设备多为开放式设计，系统功能简单，自动化程度和反馈度不高，影响了实际操作过程中的清洁效率。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统和方法，以提高系统的自动化程度和清洁效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统，包括空化处理系统和自反馈调节系统，所述空化处理系统包括：高压空化釜，所述高压空化釜内设置滤网、搅拌器、加热棒、温度传感器和压力传感器，所述高压空化釜底部设置有功率超声换能器，所述高压空化釜上设置有进水管，所述进水管与柱塞泵连接，其上设置有第一电磁阀，柱塞泵用于向高压空化釜内注入空化溶液对其加压；所述自反馈调节系统包括数据采集控制器、超声波发生器，所述数据采集控制器的输入端与所述温度传感器和压力传感器连接，输出端与所述超声波发生器、第一电磁阀、加热棒连接，所述数据采集控制器用于根据温度传感器的传感值，控制所述加热棒和搅拌器的工作状态，还用于根据压力传感器的传感值控制所述柱塞泵和第一电磁阀的工作状态。
所述高压空化釜底部设置有排水管，所述排水管上设置有第二电磁阀，所述数据采集控制器的输出端与所述第二电磁阀的控制端连接。
所述搅拌器和加热棒设置在滤网上方，温度传感器和压力传感器设置在滤网下方。
所述高压空化釜的内壁设置有多个不同高度的阶梯，所述阶梯用于设置滤网。
所述的一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统，还包括人机交互装置，所述人机交互装置用于设定温度阈值和压力阈值，当高压空化釜内的温度超过温度阈值时，所述数据采集控制器控制所述加热棒和搅拌器停止工作；当高压空化釜内的压力超过压力阈值时，所述数据采集控制器控制所述柱塞泵和第一电磁阀关闭。
所述人机交互装置还用于实时显示高压空化釜内温度信息和压力信息。
所述高压空化釜顶部设置有电磁泄压阀。
进一步地，所述数据采集控制器用于执行以下步骤：
S1、上电启动；
S2、判断是否收到开始命令，若是，则控制柱塞泵打开，当空化溶液达到限位时，关闭柱塞泵，发送关闭釜盖命令；
S3、判断是否接收到釜盖关到位信号，若是，则控制柱塞泵打开，将空化溶液加压至高压空化釜压力达到0.5MPa，然后关闭柱塞泵，等待30min；若等待期内压力变化小于0.01MPa，则发送气密性检测无误信号并进入下一步；
S4、控制柱塞泵打开，向高压空化釜内继续充入空化溶液直至达到压力阈值，关闭柱塞泵；
S5、同时启动加热棒、搅拌器和超声波发生器，开始空化；
S6、设定空化时间达到后，关闭超声波发生器，发出打开电磁泄压阀信号；
S7、判断高压空化釜内压力值是否达到标准大气压，若是，则控制开第二电磁阀打开排液。
此外，本发明还提供了一种原材料处理方法，根据所述的一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统实现，包括以下步骤：
a.打开高压空化釜釜盖，调整滤网高度，将待处理材料放入滤网之上，并设定空化参数；
b.打开柱塞泵，向高压空化釜内添加空化溶液至限位，关闭釜盖，进行釜体气密性检测；
c.釜体气密性检测无误后，打开柱塞泵向高压空化釜内充入空化溶液，直至高压空化釜内压力达到压力阈值，关闭柱塞泵；
d.同时启动加热棒、搅拌器和超声波发生器，开始空化；
e.设定空化时间达到后，关闭超声波发生器、加热棒和搅拌器，空化结束，然后打开釜盖上的电磁泄压阀，当高压空化釜内压力达到标准大气压时，打开第二电磁阀将高压空化釜内溶液排出，然后打开釜盖，取出材料。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明通过设置柱塞泵对高压空化釜内的空化溶液加压，使原材料处于高压环境，可以加强空化作用，大大减小了空化时间，大幅提升了空化效率，可以应用于精密工件、试验样品等等材料的预处理中。
2.本发明通过设置自反馈调节系统，可以实时调控高压空化釜体内的温度、压力和超声空化参数，提高了设备的自动化程度，而且，这些调控参数可以在显示器上显示，用户操作更简单，同时方便用户及时获取所需要的数据信息。
3.本发明采用1cr18Ni10Ti不锈钢高压空化釜，可加入不同种类空化溶液，处理的材料种类更加广泛。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统的电路连接框图；
图3为本发明实施例中数据采集控制器的工作流程图。
图中：1为柱塞泵，2为进水管，3为第一电磁阀，4为高压空化釜，5为电磁泄压阀，6为搅拌器，7为加热棒，8为滤网，9为温度传感器，10为压力传感器，11为排水管，12为第二电磁阀，13为功率超声换能器，14为超声波发生器，15为数据采集控制器，16、人机交互装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1~2所示，本发明实施例提供了一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统，包括空化处理系统和自反馈调节系统，所述空化处理系统包括：高压空化釜4，所述高压空化釜4内设置滤网8、搅拌器6、加热棒7、温度传感器9和压力传感器10，所述高压空化釜4底部设置有功率超声换能器13，顶部设置有电磁泄压阀5，所述高压空化釜4上设置有进水管2，所述进水管2与柱塞泵1连接，其上设置有第一电磁阀3；所述自反馈调节系统包括数据采集控制器15、超声波发生器14，所述数据采集控制器15的输入端与所述温度传感器9和压力传感器10连接，输出端与所述柱塞泵1、超声波发生器14、第一电磁阀3、加热棒7连接，所述数据采集控制器15用于根据温度传感器9的传感值，控制所述加热棒7和搅拌器6的工作状态，还用于根据压力传感器10的传感值控制所述柱塞泵1和第一电磁阀3的工作状态。所述数据采集控制器15还用于控制所述超声波发生器14的启动，所述超声波发生器14用于驱动所述功率超声换能器13超声振动。柱塞泵1用于向密封的高压空化釜4内注入空化溶液对其内部加压。
进一步地，本实施例中，所述高压空化釜4底部设置有排水管11，所述排水管11上设置有第二电磁阀12，所述数据采集控制器15的输出端与所述第二电磁阀12的控制端连接。当超声空化过程完成后，可以通过泄压阀对高压空化釜4进行泄压，泄压至高压空化釜4内压力达到标准大气压时，数据采集控制器15可以打开第二电磁阀12将高压空化釜4内溶液排出，取出材料。
具体地，本实施例中，所述搅拌器6和加热棒7设置在滤网8上方，温度传感器9和压力传感器10设置在滤网8下方。其中，加热棒7可以对空化溶液进行加热，搅拌器6可以使空化溶液温度更均匀。
进一步地，本实施例中，所述高压空化釜4的内壁设置有多个不同高度的阶梯，所述阶梯用于设置滤网8。通过将滤网8设置在不同高度处的阶梯上，可以调节滤网8高度，适应不同尺寸的原材料处理。
进一步地，所述自反馈调节系统还包括人机交互装置16，所述人机交互装置16用于设定温度阈值和压力阈值，当高压空化釜4内的温度超过温度阈值时，所述数据采集控制器15控制所述加热棒7和搅拌器6停止工作；当高压空化釜4内的压力超过压力阈值时，所述数据采集控制器15控制所述柱塞泵1和第一电磁阀3关闭。
进一步地，所述人机交互装置16还用于实时显示高压空化釜4内温度信息和压力信息。其还可以显示超声波发生器14的功率信息和频率信息、时间信息。所述高压空化釜4顶部设置有电磁泄压阀5。
本实施例中，所述人机交互装置16具体可以为可触控显示器。所述数据采集控制器15采用的微处理器型号为ATMEGA128A-AU；所述柱塞泵1型号为NHDP8520L。
实施例二
本发明实施例二提供了一种原材料处理方法，根据实施例一所述的一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统实现，包括以下步骤：
a.打开高压空化釜4釜盖，调整滤网8高度，将待处理材料放入滤网8之上，然后设定空化参数，所述空化参数包括超声功率、超声时间、压力阈值和温度阈值。具体地，压力阈值设置范围为0.4~1.5MPa。
b.打开柱塞泵1，向高压空化釜4内添加空化溶液至限位，例如2/3的液位后，关闭柱塞泵1，同时关闭釜盖，进行釜体气密性检测。
釜体气密性检测的具体过程为：启动柱塞泵1，将空化溶液加压至高压空化釜4压力达到0.5MPa，然后关闭柱塞泵1，30min后，若水压变化≤0.01MPa，则证明釜体气密性良好。否则，则需要检查釜盖是否盖好。
c.釜体气密性检测无误后，打开柱塞泵1向高压空化釜4内继续充入空化溶液，将空化溶液加压至压力阈值；达到压力阈值时，数据采集控制器15将柱塞泵1和第一电磁阀3均关闭，停止注入空化溶液。
d.同时启动加热棒7、搅拌器6和超声波发生器14，开始空化。
启动加热棒7对空化溶液加热至达到温度阈值。启动搅拌器6对空化溶液进行搅拌使其温度均匀。打开超声波发生器14，使功率超声换能器13按设定空化参数（超声功率、频率和时间）后，开始振动，对高压空化釜4内的原材料进行处理。当温度低于温度阈值时，加热棒7再次启动对空化溶液加热，因此加热棒7和温度传感器9可以使空化溶液保持在温度阈值附近。
e.设定空化时间达到后，关闭超声波发生器14，空化结束，然后打开釜盖上的电磁泄压阀5，当高压空化釜4内压力达到标准大气压时，数据采集控制器15打开第二电磁阀12将高压空化釜4内溶液排出，然后打开釜盖，取出材料。
如图3所示，本实施例中，上述操作步骤可以通过数据采集控制器15自动进行，具体地，数据采集控制器15的工作步骤为：
S1、上电启动；
S2、判断是否收到开始命令，若是，则控制柱塞泵1打开，当空化溶液达到限位时，关闭柱塞泵1，发送关闭釜盖命令；
S3、判断是否接收到釜盖关到位信号，若是，则控制柱塞泵1打开，将空化溶液加压至高压空化釜4压力达到0.5MPa，然后关闭柱塞泵1，等待30min；若等待期内压力变化小于0.01MPa，则发送气密性检测无误信号并进入下一步；
S4、控制柱塞泵1打开，向高压空化釜4内继续充入空化溶液直至达到压力阈值，关闭柱塞泵1；
S5、同时启动加热棒7、搅拌器6和超声波发生器14，开始空化；当温度超过温度阈值1~2度时，控制加热棒7停止工作，但温度低于温度阈值1~2度时，控制加热棒7开始工作，则通过温度传感器9和加热棒7，可以将温度控制在温度阈值附近；
S6、设定空化时间达到后，关闭超声波发生器，发出打开电磁泄压阀5信号；
S7、判断压力值是否达到标准大气压，若是，则控制第二电磁阀12打开排液。
如表1所示，为在清洁效果相当的条件下（清洁效率达90%以上），四组原材处理的实验数据对照图，从表1可以看出，对于不同的工件来说，在空化频率和空化功率相同的条件下，压力阈值设置为0.5MPa和1MPa时，相对于未加压条件下的空化时间均有降低，最优条件下的空化时间均减少了一半以上，说明本发明的系统可以显著提高材料处理的效率。
表1 不同工件的空化实验对比
综上所述，本发明提供了一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统和方法，通过设置柱塞泵对高压空化釜内的空化溶液加压，使原材料处于高压环境，可以加强空化作用，大大减小了空化时间，大幅提升了空化效率，可以应用于精密工件、试验样品等等材料的预处理中，而且，系统设置了自反馈调节系统，可以实时调控高压空化釜体内的温度、压力和超声空化参数，提高了设备的自动化程度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统，其特征在于，包括空化处理系统和自反馈调节系统，所述空化处理系统包括：高压空化釜（4），所述高压空化釜（4）内设置滤网（8）、搅拌器（6）、加热棒（7）、温度传感器（9）和压力传感器（10），所述高压空化釜（4）底部设置有功率超声换能器（13），所述高压空化釜（4）上设置有进水管（2），所述进水管（2）与柱塞泵（1）连接，其上设置有第一电磁阀（3），柱塞泵（1）用于向高压空化釜（4）内注入空化溶液对其加压；所述自反馈调节系统包括数据采集控制器（15）、超声波发生器（14），所述数据采集控制器（15）的输入端与所述温度传感器（9）和压力传感器（10）连接，输出端与所述柱塞泵（1）、超声波发生器（14）、第一电磁阀（3）、加热棒（7）连接，所述数据采集控制器（15）用于根据温度传感器（9）的传感值，控制所述加热棒（7）和搅拌器（6）的工作状态，还用于根据压力传感器（10）的传感值控制所述柱塞泵（1）和第一电磁阀（3）的工作状态；
还包括人机交互装置（16），所述人机交互装置（16）用于设定温度阈值和压力阈值，当高压空化釜（4）内的温度超过温度阈值时，所述数据采集控制器（15）控制所述加热棒（7）和搅拌器（6）停止工作；当高压空化釜（4）内的压力超过压力阈值时，所述数据采集控制器（15）控制所述柱塞泵（1）和第一电磁阀（3）关闭。
2.根据权利要求1所述的一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统，其特征在于，所述高压空化釜（4）底部设置有排水管（11），所述排水管（11）上设置有第二电磁阀（12），所述数据采集控制器（15）的输出端与所述第二电磁阀（12）的控制端连接。
3.根据权利要求1所述的一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统，其特征在于，所述搅拌器（6）和加热棒（7）设置在滤网（8）上方，温度传感器（9）和压力传感器（10）设置在滤网（8）下方。
4.根据权利要求1所述的一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统，其特征在于，所述高压空化釜（4）的内壁设置有多个不同高度的阶梯，所述阶梯用于设置滤网（8）。
5.根据权利要求1所述的一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统，其特征在于，所述人机交互装置还用于实时显示高压空化釜（4）内温度信息和压力信息。
6.根据权利要求2所述的一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统，其特征在于，所述高压空化釜（4）顶部设置有电磁泄压阀（5）。
7.根据权利要求6所述的一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统，其特征在于，所述数据采集控制器（15）用于执行以下步骤：
S1、上电启动；
S2、判断是否收到开始命令，若是，则控制柱塞泵（1）打开，当空化溶液达到限位时，关闭柱塞泵（1），发送关闭釜盖命令；
S3、判断是否接收到釜盖关到位信号，若是，则控制柱塞泵（1）打开，将空化溶液加压至高压空化釜（4）压力达到0.5MPa，然后关闭柱塞泵（1），等待30min；若等待期内压力变化小于0.01MPa，则发送气密性检测无误信号并进入下一步；
S4、控制柱塞泵（1）打开，向高压空化釜（4）内继续充入空化溶液直至达到压力阈值，关闭柱塞泵（1）；
S5、同时启动加热棒（7）、搅拌器（6）和超声波发生器（14），开始空化；
S6、设定空化时间达到后，关闭超声波发生器（14），发出打开电磁泄压阀（5）信号；
S7、判断高压空化釜（4）内压力值是否达到标准大气压，若是，则控制开第二电磁阀（12）打开排液。
8.一种原材料处理方法，根据权利要求1所述的一种原材料处理的超声空化自反馈调控系统实现，其特征在于，包括以下步骤：
a.打开高压空化釜（4）釜盖，调整滤网（8）高度，将待处理材料放入滤网（8）之上，并设定空化参数；
b.打开柱塞泵（1），向高压空化釜（4）内添加空化溶液至限位，关闭釜盖，进行釜体气密性检测；
c.釜体气密性检测无误后，打开柱塞泵（1）向高压空化釜（4）内充入空化溶液，直至高压空化釜（4）内压力达到压力阈值，关闭柱塞泵（1）；
d.同时启动加热棒（7）、搅拌器（6）和超声波发生器（14），开始空化；
e.设定空化时间达到后，关闭超声波发生器（14）、加热棒（7）和搅拌器（6），空化结束，然后打开釜盖上的电磁泄压阀（5），当高压空化釜（4）内压力达到标准大气压时，打开第二电磁阀（12）将高压空化釜（4）内溶液排出，然后打开釜盖，取出材料。
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