CN116938193B - 一种用于水处理的电磁波生成电路 - Google Patents
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Abstract
一种用于水处理的电磁波生成电路，包括第一电极和第二电极,还包括与第一电极连接的电磁波发生器,以及通过检测电阻接地的检测电极，和与检测电极连接的占空比检测电路,还包括与电磁波发生器和占空比检测电路连接的中央处理器，所述电磁波发生器根据占空比检测电路的输出信号,调节输出电磁波的占空比。本发明通过对电磁波占空比进行检测,可以实时通过调整占空比,针对不同的污水或不同的污水处理目的,结合占空比控制得到较佳的污水处理效果。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及电磁波技术，具体涉及一种用于水处理的电磁波生成电路。
背景技术
现有污水处理方式中最常用的化学药剂法具备很多缺点，包括：多种水处理药剂的化学品被列为危险物质，需要专职人员进行操作，以应对化学品泄漏或是暴露事件；无法准确控制药剂添加量，常处于药剂不足或过量状态，影响处理效果；药剂本身进入循环水系统，会产生化学品积垢。而利用电磁波对污水进行处理，可以同时实现除垢，杀菌，抗腐蚀，降低水硬度等作用，而且水处理过程中无需添加化学药剂，相对生物或化学污水处理方式，具有显著的优越性。
申请人在申请号为201821739623.0的中国实用新型专利申请中公开了一种用于循环冷却水综合处理系统，采用多组电磁波发生器分别进行除垢，杀菌，抗腐蚀等作用，申请人在对产品的测试和使用过程中发现，虽然不同的电磁波频率产生不同的技术效果，但电磁波的电压幅值，例如方波的占空比，对于污水处理效果仍然有较大影响，例如方波高电平为24V，占空比在从30%上升到65%时，对金属阳离子的激发结晶效果一直有较为明显的增强，又例如，当占空比保持一个特定范围内时，更容易在铁质管道内壁生成四氧化三铁而延缓管道腐蚀。
但是在污水处理过程中，电磁波高电平会发生较为明显的衰减，在正极产生的电磁波信号经过水体传输到接地的负极时，电压降低会使得占空比显著降低，作用在水体上的电磁波例如负极附近的电磁波占空比降低，影响处理效果。
发明内容
为克服现有技术存在的技术缺陷，本发明公开了一种用于水处理的电磁波生成电路。
本发明所述用于水处理的电磁波生成电路，包括第一电极和第二电极，还包括与第一电极连接的电磁波发生器，以及通过检测电阻接地的检测电极，和与检测电极连接的占空比检测电路， 所述占空比检测电路与检测电极和检测电阻的连接点连接，对检测电极接收到的电磁波波形进行占空比检测；
还包括与电磁波发生器和占空比检测电路连接的中央处理器，所述电磁波发生器根据占空比检测电路的输出信号，调节输出电磁波的占空比；
所述占空比检测电路包括第一比较器，所述第一比较器输入端分别连接所述检测电极和基准电压，输出端连接第一开关管控制端，所述第一开关管连接在电源和第一电容之间，所述第一电容连接第一运算放大器输入端，所述第一电容还连接有用于对第一电容的电压进行周期性清零的清零锁存电路，第一运算放大器输出端连接模数转换器，所述模数转换器连接所述中央处理器；
中央处理器接收到所述模数转换器输出的表征占空比的数字信号后，输入到电磁波发生器进行占空比调节；
所述清零锁存电路包括与第一电容并联的第二开关管和第二电容，所述第二电容和第一电容之间通过第三开关管连接，所述清零锁存电路还包括与中央处理器连接的第一计数器，所述第一计数器输出端与第三开关管控制连接，第一计数器输出端还通过一个延时电路连接第二开关管。
优选的：所述清零锁存电路包括与第一电容并联的第二开关管和第二电容，所述第二电容和第一电容之间通过第三开关管连接，所述清零锁存电路还包括与中央处理器连接的第一计数器，所述第一计数器输出端与第三开关管控制连接，第一计数器输出端还通过一个延时电路连接第二开关管。
优选的：所述占空比检测电路还包括电压调节电路，所述电压调节电路包括串联在检测电极和地之间的第一分压电阻和第二分压电阻，两个分压电阻的公共端连接所述第一比较器的输入端。
优选的：所述第一开关管和电源之间连接有限流电阻。
优选的：所述电磁波发生器包括与中央处理器连接的数模转换器，所述数模转换器输出端连接第二运算放大器，第二运算放大器输出端连接第二比较器的输入端，第二比较器的另一输入端连接振荡发生器，所述振荡发生器为三角波发生器或正弦波发生器。
优选的：还包括与第二比较器输出端连接的第二计数器，所述第二比较器的电源端与电源管理模块连接，所述电源管理模块和第二计数器分别与所述中央处理器信号连接。
优选的：所述振荡发生器为正弦波发生器。
优选的：所述检测电极设置在第一电极和第二电极的连线中点。
优选的：所述第一电极为正极，第二电极为负极。
本发明通过对电磁波占空比进行检测，可以实时通过调整占空比，针对不同的污水或不同的污水处理目的，结合占空比控制得到较佳的污水处理效果。
附图说明
图1是本发明的一种具体应用方式示意图；
图2是本发明所述占空比检测电路的一种具体实施方式示意图；
图3是本发明所述电磁波发生器的一种具体实施方式示意图；
图4是本发明进行清零锁存的一个具体控制时序示意图；
图5是本发明进行占空比调节的一个具体实施方式示意图；
图6是本发明进行占空比调节的又一个具体实施方式示意图；
图5和图6中横坐标为时间，纵坐标为电压，单位为伏特。
图中附图标记名称为:
R1-检测电阻，R2-第一分压电阻，R3-第二分压电阻，R4-限流电阻，M1-第一开关管，M2-第二开关管，M3-第三开关管，C1-第一电容，C2-第二电容，A1-第一比较器，A2-第一运算放大器，A3-第二比较器，A4-第二运算放大器，ADC-模数转换器，DAC-数模转换器，VREF-基准电压，VCC-电源。
具体实施方式
以下结合附图及附图标记对本发明的实施方式做更详细的说明。
本发明所述用于水处理的电磁波生成电路，包括第一电极和第二电极， 还包括与第一电极连接的电磁波发生器，以及通过检测电阻接地的检测电极，和与检测电极连接的占空比检测电路，还包括与电磁波发生器和占空比检测电路连接的中央处理器，所述电磁波发生器根据占空比检测电路的输出信号，调节输出电磁波的占空比。
本发明的一种典型应用环境如图1所示，第一电极为正极，连接电磁波发生器，第二电极为负极通常接地，正极直接输出电磁波，电磁波输入到含有大量可溶盐的污水中，对金属阳离子如钙、镁离子和无机盐阴离子如碳酸氢根，碳酸根激发过程中消耗电能，且污水处理可能发生在金属管道内，形成寄生电容对电磁波形成耦合，均使得正极输出的电磁波衰减，阴极接收到的电磁波与阳极在电压值和占空比上均有损失。
由于输出的电磁波可能为方波，也可能是三角波，正弦波等其他形式，本发明中，对占空比的定义为高于某个预设电压值的时间占整个时间的百分比，例如预设电压值为6.5V，则在一定时间内高于6.5V所占时间的百分比为该一定时间内的占空比。
检测电极可插入水中，占空比检测电路连接检测电极的根部较为靠近水面处，由于存在检测电阻R1 ，可以检测连接点的电压波形，从而对检测电极接收到的电磁波波形进行占空比检测。
检测电极优选设置在正负极之间的连线中点上，一个典型实施方式为设置一个连杆，连杆两端分别固定正极和负极，连杆上可设置滑轨，将检测电极固定在可沿滑轨滑动的滑块上，可自由选择检测电极的位置。所述第一电极和第二电极根据使用目的和设置环境，可以采用石墨电极、线圈式电极、网格状电极中的任意一种，检测电极为模拟两个电极的状态，通常与第一电极和第二电极采用相同电极。
当检测电极检测到的占空比与预设的期望值相差较大，说明电磁波发生器输出的电压信号经过当前污水衰减后，不足以在水中维持期望的占空比，则对电磁波发生器进行调节，增大输出信号占空比，如图5所示，如果明显高于预设期望值，则可以适当降低输出信号占空比，以节约电能并维持一个合适的占空比。
本发明中，对占空比检测优选采用一定时间内的电量积分值进行检测，具体如图2所示，所述占空比检测电路包括第一比较器A1，所述第一比较器输入端分别连接所述检测电极和基准电压VREF，输出端连接第一开关管控制端，所述第一开关管连接在电源和第一电容C1之间，所述第一电容连接第一运算放大器输入端，所述第一电容还连接有用于对第一电容的电压进行周期性清零的清零锁存电路，所述第一运算放大器A2输出端连接模数转换器，所述模数转换器连接所述中央处理器。
第一比较器A1将检测电阻R1 上的电压信号与基准电压VREF进行比较，高于基准电压输出低电平，第一开关管M1为PMOS管，栅极为低电平时打开，开始对第一电容充电，低于基准电压时输出高电平，第一开关管关闭，基准电压此处等价于本发明所述占空比定义中的预设电压，检测信号高于基准电压的百分比，即等于本发明所述占空比。基准电压可以由基准电压源模块产生，例如采用带隙基准电压。
占空比越大，第一开关管打开的时间越长，充电时间越长，则第一电容在一定时间内电压值越高，通过检测第一电容的电压值，可以检测出一定时间内的占空比。通过第一运算放大器将电压信号放大，并通过模数转换器ADC转化为数字信号输出到中央处理器。一个优选实施方式中，所述第一开关管M1和电源VCC之间连接有限流电阻R4，对充电电流进行限制，降低充电速度，延长第一电容充电时间。
清零锁存电路用于对第一电容的电压进行清零，并在清零时锁存输入到第一运算放大器的第一电容的电压信号。
如图2所示，所述清零锁存电路包括与第一电容并联的第二开关管和第二电容，所述第二电容和第一电容之间通过第三开关管连接，所述清零锁存电路还包括与中央处理器连接的第一计数器，所述第一计数器输出端与第三开关管控制连接，第一计数器输出端还通过一个延时电路连接第二开关管。
第一电容C1充电时，第二开关管M2关闭，第三开关管M3关闭，第一计数器与中央处理器连接并接收中央处理器发送的时钟信号，通过预设计数数量设置清零时间，例如设置1000个上升沿计数作为清零时间，第一计数器在计数满1000后释放高电平信号，首先打开第三开关管，将第一电容和第二电容的电荷共享，第一电容C1通常远大于第二电容C2，通常在两个数量级以上，使第一电容的电压接近于第二电容C2，延时电路的延时不小于一个完整时钟周期但远小于预设的计数数量，通常为1个时钟周期，第一计数器在打开第三开关管的下一时钟周期关闭第三开关管，随后延时的信号打开第二开关管对第一电容在1000个上升沿周期内存储的电荷清零，清零后的下一个周期关闭第二开关管，使得第二开关管和第三开关管均保持关闭状态，第二运算放大器的输入电压被锁存，等待下一次计数完成再次更新。计数器的周期性清零信号QL由中央处理器发出，收到清零信号后计数器从新开始计数，延时电路可以是RC延时电路，或一个或多个D触发器串联形成的数字延时电路，延时电路为本领域现有技术，原理不再赘述。
上述过程的一个典型控制信号时序图如图4所示，计数器信号JS低电平表示计数，当计数达到1000个周期后，输出高电平信号，计数器信号发生上升沿的同时，第三开关管的栅极信号G3为高电平，第三开关管打开，此时第二开关管由于延时的原因保持关闭，在下一时钟周期，第二开关管打开，清零信号QL由中央处理器发出，计数器恢复低电平，第三开关管栅极信号G3恢复低电平关闭，同时第二开关管栅极信号G2为高电平，打开对第一电容进行放电，随后恢复为低电平，第一电容重新开始充电。
为使在检测电极检测到的电压适应第一比较器，图1所示的具体实施方式中，所述占空比检测电路还包括电压调节电路，所述电压调节电路包括串联在检测电极和地之间的第一分压电阻和第二分压电阻，两个分压电阻的公共端连接所述第一比较器的输入端。通过设置分压电阻的比例，将检测电极较高的电压降低到第一比较器的工作范围内。
中央处理器接收到所述模数转换器输出的表征占空比的数字信号后，输入到电磁波发生器进行占空比调节。
如图3给出电磁波发生器的一个具体实施方式，该方式适用于输出的电磁波为方波的应用方式，所述电磁波发生器包括与中央处理器连接的数模转换器，所述数模转换器输出端连接第二运算放大器，第二运算放大器输出端连接第二比较器的输入端，第二比较器的另一输入端连接振荡发生器，所述振荡发生器为三角波发生器或正弦波发生器。
数字信号输入到数模转换器DAC后转化为模拟电压，并被第二运算放大器放大输出到第二比较器，第二比较器比较两个输入端的电压，第二比较器的反相端连接表征占空比的第二运算放大器输出端，反相端电压越高则输出信号的占空比越低，反之，反相端电压越低，说明检测到的检测电极占空比较低，则第二比较器输出的方波信号占空比增加。
一个优选实施方式中，还包括与第二比较器输出端连接的第二计数器，所述第二比较器的电源端与电源管理模块连接，所述电源管理模块和第二计数器分别与所述中央处理器信号连接，图3所示的具体实施方式中，电源管理模块为可受数字信号控制的AC/DC转换器，即交流直流转换器，采用交流供电方式输出直流电压作为第二比较器的电源电压，并可由中央处理器控制对输出的直流电压值进行调节。
假设第一计数器和第二计数器均为上升沿触发，通过中央处理器计算第二计数器和第一计数器相同时间内的上升沿数量并计算二者差值，当差值大于警戒值时，即第一计数器计算到的上升沿明显小于电磁波发生器原始信号的上升沿，说明检测电极处电磁波衰减过多，以至于部分上升沿完全消失，这种情况说明电磁波发生器的高电平电压不足，此时调节电磁波发生器的输出占空比意义不大，而需要电源管理模块输出更高的电源电压，提高电磁波高电平的电压值，使得在检测电极处的电磁波仍然能够保留足够的上升沿，如图6所示，此时可以提高占空比的高电平电压值。
当两个计数器计数差值较大时，电源管理模块根据中央处理器输出的控制信号提高电源管理模块的输出电压，直至差值降低到警戒值以下。电源管理模块可采用现有的可编程电源管理器件，根据输入数字信号调节输出电压大小，为本领域现有技术。
同时，由于正弦波不能通过比较器的方式调节占空比，上述优选实施方式还特别适用于输出电磁波为正弦波的应用方式。当振荡发生器为正弦波发生器时，可通过中央处理器控制第二运算放大器在输出电磁波为正弦波时不工作，输出恒定低电平或高电平，此时第二比较器的功能转化为一个反相器，正弦波的占空比通过调节电源电压进行。
本发明通过对电磁波占空比进行检测，可以实时通过调整占空比，针对不同的污水或不同的污水处理目的，结合占空比控制得到较佳的污水处理效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于水处理的电磁波生成电路，包括第一电极和第二电极，其特征在于，还包括与第一电极连接的电磁波发生器，以及通过检测电阻接地的检测电极，和与检测电极连接的占空比检测电路， 所述占空比检测电路与检测电极和检测电阻的连接点连接，对检测电极接收到的电磁波波形进行占空比检测；
还包括与电磁波发生器和占空比检测电路连接的中央处理器，所述电磁波发生器根据占空比检测电路的输出信号，调节输出电磁波的占空比；
所述占空比检测电路包括第一比较器，所述第一比较器输入端分别连接所述检测电极和基准电压，输出端连接第一开关管控制端，所述第一开关管连接在电源和第一电容之间，所述第一电容连接第一运算放大器输入端，所述第一电容还连接有用于对第一电容的电压进行周期性清零的清零锁存电路，第一运算放大器输出端连接模数转换器，所述模数转换器连接所述中央处理器；
中央处理器接收到所述模数转换器输出的表征占空比的数字信号后，输入到电磁波发生器进行占空比调节；
所述清零锁存电路包括与第一电容并联的第二开关管和第二电容，所述第二电容和第一电容之间通过第三开关管连接，所述清零锁存电路还包括与中央处理器连接的第一计数器，所述第一计数器输出端与第三开关管控制连接，第一计数器输出端还通过一个延时电路连接第二开关管。
2.如权利要求1所述用于水处理的电磁波生成电路，其特征在于：所述占空比检测电路还包括电压调节电路，所述电压调节电路包括串联在检测电极和地之间的第一分压电阻和第二分压电阻，两个分压电阻的公共端连接所述第一比较器的输入端。
3.如权利要求1所述用于水处理的电磁波生成电路，其特征在于：所述第一开关管和电源之间连接有限流电阻。
4.如权利要求1所述用于水处理的电磁波生成电路，其特征在于：所述电磁波发生器包括与中央处理器连接的数模转换器，所述数模转换器输出端连接第二运算放大器，第二运算放大器输出端连接第二比较器的输入端，第二比较器的另一输入端连接振荡发生器，所述振荡发生器为三角波发生器或正弦波发生器。
5.如权利要求4所述用于水处理的电磁波生成电路，其特征在于：还包括与第二比较器输出端连接的第二计数器，所述第二比较器的电源端与电源管理模块连接，所述电源管理模块和第二计数器分别与所述中央处理器信号连接。
6.如权利要求5所述用于水处理的电磁波生成电路，其特征在于：所述振荡发生器为正弦波发生器。
7.如权利要求1所述用于水处理的电磁波生成电路，其特征在于：所述检测电极设置在第一电极和第二电极的连线中点。
8.如权利要求1所述用于水处理的电磁波生成电路，其特征在于：所述第一电极为正极，第二电极为负极。
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