JP3997169B2 - Water treatment method and water treatment apparatus - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水処理方法及び水処理装置に係り、特に、飲料水、循環式浴槽等における細菌の殺菌のために使用して好適な水処理方法及び水処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から強い超音波が殺菌効果を持つことが知られており、この超音波による殺菌効果を利用して、飲料水や循環式浴槽で問題となる細菌を殺菌する殺菌装置が開発されている。そして、この種の殺菌装置としての水処理装置に関する従来技術として、例えば、特許文献1、特許文献2等に記載された技術が知られている。
【0003】
前述した従来技術による水処理装置は、超音波発生機構の共振を利用して、大きい振幅(約1μm程度)の超音波を水に与えてキヤビテーションを発生させ、その際の収縮時に発生する高温、高圧、高速の水流により機械的に細菌を破壊するというものである。超音波による殺菌は、一般には、音響化学効果による酸化により殺菌されると言われているが、28kHz程度の低い周波数を使用する場合、5μm程度の大きな細菌に対して機械的に粉砕されているという効果が確認されている。
【0004】
また、超音波を与える液体の状態によって変動する超音波振動子の共振点を維持するように、超音波の周波数を変化させることを可能にした超音波装置に関する技術が、例えば、特許文献3、特許文献4、特許文献5等に記載されて知られている。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−9448号公報
【0006】
【特許文献2】
特開2001−334264号公報
【0007】
【特許文献3】
特開平6−71226号公報
【0008】
【特許文献4】
特開平7−265794号公報
【0009】
【特許文献5】
特開2001−212514号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来技術による水処理装置は、実際に運用すると、水温・流速・不純物等の影響により、キャビテーションが発生するに最適な超音波の周波数が変動することがあり、最適なキャビテーションを発生させることができなくなることがあるという問題点を有している。
【0011】
また、前述の従来技術は、水がない状態で使用されると、振幅が異常に大きくなって、装置が壊れる危険が生じるという問題点を有すると共に、装置が発生させたキャビテーションによって、装置自体が削れてゆき、共振周波数の変化を生起させるという問題点を有している。
【0012】
本発明の目的は、前述した従来技術の問題点を解決し、最適なキャビテーションが発生するように超音波の周波数に対する自動追尾、振幅の自動制御を可能とし、装置自体が削れてゆくことによる共振周波数の変化が動作範囲を超えた場合、水がない場合等の異常を知らせることを可能にし、さらに、周波数と振幅とのどちらかが追随範囲を逸脱した場合に警報を発することができる水処理方法及び水処理装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば前記目的は、殺菌セルの振動子を駆動制御し、処理すべき水に超音波振動を与えて水中の細菌を殺菌する水処理方法において、振動子の振幅を検出すると共に、振動子に印加される信号の周波数を検出し、検出された振動子の振幅と、検出された信号の周波数に基づいて、前記振動子の振幅と振動周波数とを目標値となるように制御し、その際の前記振動子の振幅制御を、振幅の大きさに応じてお互いに対称な位相変化を持った1対のPWM信号を駆動トランスを介して振動子に与えることにより、振動の位相を変化させることなく振幅を制御するように行うことにより達成される。
【0014】
また、前記目的は、殺菌セルの振動子を駆動制御し、処理すべき水に超音波振動を与えて水中の細菌を殺菌する水処理装置において、振動子の振幅を検出する手段と、振動子に印加される信号の周波数を検出する手段と、検出された振動子の振幅に基づいて、前記振動子の振幅を目標値となるように制御する制御手段と、検出された信号の周波数に基づいて、前記振動子の振動周波数を目標値となるように制御する制御手段とを備え、前記振動子の振幅制御手段は、振幅の大きさに応じてお互いに対称な位相変化を持った1対のPWM信号を発生するPWM信号発生手段と、前記1対のPWM信号を合成して前記振動子に与える駆動トランスとにより構成されることにより達成される。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による水処理方法及び水処理装置の実施形態を図面により詳細に説明する。
【0016】
図1は本発明の一実施形態による水処理装置を循環式浴槽の殺菌に使用した場合のシステム構成を示すブロック図、図2は図1における配管系の構成を示す図である。図1、図2において、101は浴槽、102は塩素源、103は集毛器、104はポンプ、105は濾過器、106は配管系、107は配線系、108は配管パイプ、109〜111はバルブ、112は分流器、113は合流器、114は水処理装置、115は加熱器、116は元ブレーカ、117は警報表示装置、201は防雨電源端子、202は漏電ブレーカ兼電源スイッチ(SW)、203はパイロットランプ、204は警報ランプ、205はアース、警報端子、206はボルト止め金具、207は水栓である。
【0017】
本発明の一実施形態による1または複数の水処理装置114を循環式浴槽の殺菌に使用するシステムは、図1に示すように、浴槽101内の水を循環させる途中で塩素消毒を行う塩素源102と、比較的大きな塵埃等を除去する集毛器103と、水を循環させるポンプ104と、細かい塵埃を除去する濾過器105と、濾過後の水を本発明の実施形態による水処理装置114に導いて殺菌する配管系106と、殺菌後の水を加熱する加熱器115を備え、加熱後の水が浴槽101に返されるように構成されている。
【0018】
配管系106は、2つの分岐を有する配管パイプ108と、2つの分岐の中間に設けられるバルブ109と、2つの分岐された配管パイプのそれぞれに設けられるバルブ110、111と、上流側で分岐された配管パイプの先端部に設けられた分流器112と、下流側で分岐された配管パイプの先端部に設けられた合流器113とにより構成されている。そして、図2(a)に示すように、分流器112は、1または複数の水処理装置114に処理前の水を分配する配管パイプ(図2(a)には単に細線で示している)が接続されており、また、合流器113は、水処理装置114からの処理後の水を取り込む配管パイプが接続されている。
【0019】
1または複数の水処理装置114には、元ブレーカ116を介してAC100Vの電源を供給し、警報表示装置117に警報を表示するための配線系107が接続されている。水処理装置114の内部には、後述するように超音波による殺菌装置を構成する殺菌円筒が備えられている。そして、水処理装置114は、図2(a)、図2(b)に示しているように、幅寸法30cm、奥行き寸法30cm、高さ寸法40cm程度の大きさに構成され、電気側と水側とが水処理装置114の筐体の前面側と背面側とに分けて配置されており、筐体の前面側には、防雨電源端子201、漏電ブレーカ兼電源SW202、パイロットランプ203、警報ランプ204、アース、警報端子205が配置され、背面側には、分流器112、合流器113に接続されるパイプのための水栓207が配置されている。さらに、図2には示していないが、筐体底面の鍔状の部分には、ボルト止め金具206が設けられている。
【0020】
前述したように構成される図1に示す循環式浴槽の殺菌システムは、動作状態において、バルブ109を閉じ、バルブ110、111を開いた状態で使用される。そして、濾過器105を経た水は、バルブ110、分流器112を介して複数の水処理装置114に供給され、後述で詳細に説明する水処理装置114により超音波による殺菌が行われた後、合流器113、バルブ111を介して加熱器115に送られ、加熱器115で所定の温度に加熱された後浴槽に戻される。
【0021】
図3は本発明の一実施形態による水処理装置の構成を示すブロック図であり、次に、図3を参照して、図1、図2により接続した水処理装置114の構成について説明する。図3において、301は殺菌セル、302は駆動トランス、303は電流検出部、305はコンパレータ、306はサンプル&ホールド回路、309は周波数制御部、312は振幅センサ、314は振幅検出回路、317は振幅制御部、320は警報発出部、321は警報端子、322はクロック源、323はPLL,タイミング発生回路、324はPWM信号発生回路、325はドライバ、326は電源回路、327はアース端子、328は周波数検出部、330、331は振動子、332は振動合成器、333は円筒容器、334は殺菌円筒である。
【0022】
本発明の一実施形態による水処理装置は、図3に示すように、後述するように構成される殺菌セル301と、殺菌セル301内の振動子330、331を駆動する駆動回路と、駆動回路に必要な電源を供給する電源回路326とにより構成される。
【0023】
図3において、殺菌セル301は、円筒容器333の内部に金属塊による殺菌円筒334が設けられ、殺菌円筒334と円筒容器333の内壁との間に円筒容器333の下面から処理すべき水が導かれて、円筒容器333の上部から殺菌処理された水を導出するように構成されている。そして、殺菌円筒334は、超音波領域で駆動される2つのランジュバン型の振動子330、331の振動を合成する振動合成器332に結合され、振動合成器332から伝えられる振動を周囲を流れる水に伝達する。殺菌円筒334の周囲に流れる水は、与えられる超音波の振動によりキャビテーションを生じて水の中に存在する細菌を殺菌する。
【0024】
前述した殺菌セル301における振動子330、331、振動合成器332、殺菌円筒333を含む機構部分の全体は、振動子330、331を駆動する駆動回路から見た場合、共振器を構成しており、振動子330、331に印加する信号の周波数は、共振周波数に設定される。これにより、信号すべき水に効率よく大きな振動を与えてキャビテーションを発生されることができる。しかし、水温・流速・不純物等の影響により、前述した共振周波数がずれる場合があり、本発明の実施形態では、前述した機構部分の共振周波数のずれに対応して、振動子に印加する周波数を追随制御するようにすると共に、その振幅についても、設定した大きさに保持できるように制御している。
【0025】
次に、前述したように周波数と振幅とを制御して振動子330、331を駆動制御する駆動回路について説明する。
【0026】
PLL,タイミング発生回路323は、ディジタル回路により構成される本発明の実施形態による駆動回路に対するタイミング源となるクロック源322からの信号を受け、振動子330、331を駆動する周波数信号に従った周波数を合成し、その周波数信号をパルス幅変調信号による正弦波を発生するPWM信号発生回路324に渡すと共に、周波数検出部328内のサンプルホールド回路306にサンプルタイミング信号307を供給し、製造時にその感度が調整されている振幅検出回路314にタイミング信号315を供給する。
【0027】
PLL,タイミング発生回路323からの周波数信号を受け取ったPWM信号発生回路324は、パルス幅変調信号による正弦波を発生して周波数信号に対応するPWM信号を発生して、そのPWM信号をドライバ325に与える。ドライバ325は、D級アンプ(0、1のディジタル2値信号を大きな電圧に増幅するアンプ)により構成される。2値信号の増幅を行うD級アンプは、スイッチにより構成することができ、A級、B級アンプ等のリニアアンプに比べて高効率な増幅を行うことができる。
【0028】
ドライバ325により増幅された信号は、ドライバと振動子との間のインピーダンス整合をとる駆動トランス302を介して殺菌セル301の振動子330、331に印加され、殺菌セル301内を流れる水を前述したように殺菌するために使用される。
【0029】
前述した駆動トランス302の一次側(ドライバ325に接続される側)には、電流検出部303、コンパレータ305、サンプル&ホールド回路306により構成される周波数検出部328が備えられている。電流検出部303は、トランス、抵抗等により構成され、駆動トランス302に流れる電流を検出し、検出した電流に対応する信号としての電流モニタ信号304を、入力電圧を基準電圧と比較し、大小の2値を出力するコンパレータ305に与える。
【0030】
サンプル&ホールド回路306は、サンプルタイミング信号307の示す時刻にコンパレータ305からの出力を記憶し保持する。サンプルタイミング信号307は、現在の周波数が殺菌セルの共振周波数であれば、電流が0となるべきタイミングを示す信号、すなわち、PLL,タイミング発生回路323がPWM発生回路324に出力する周波数信号の0クロス点を示す信号である。サンプル&ホールド回路306からの信号は、周波数を上下する指示を与える信号である周波数Up/Down信号308として周波数制御部309に与えられる。
【0031】
周波数制御部309は、周波数Up/Down信号308を受けて、PLL,タイミング発生回路323が発生する周波数信号の周波数を制御するための出力すべき周波数を表す周波数信号310をPLL,タイミング発生回路323に与えると共に、周波数が大幅に変化して所定の周波数範囲を逸脱して周波数制御が必要になった場合に異常を警報する周波数警報信号311を警報発出部320に与える。
【0032】
一方、殺菌セル301の振動合成器332には、圧電素子等による振幅に応じた信号を発生する振幅センサ312が取り付けられており、この振幅センサ312からの振幅の大きさを示す振幅モニタ信号313が振幅検出回路314に与えられる。振幅センサ312としては、一般的には加速度センサが利用され、振幅センサの代表的なものとして圧電素子があり、他に、マイクロマシンによる加速度センサ等も使用することができる。
【0033】
振幅検出回路314は、振幅を評価するタイミングを示すタイミング信号315に基づいて、振動子330、331に与えられている周波数(本発明の実施形態では28kHzを使用するが、一般には、10kHzから数MHzの超音波周波数)で交番する振幅センサ312からの振幅モニタ信号313を検波して直流レベルに変換し、振幅の大きさを所定の値と比較し、大小の制御方向を示す振幅Up/Down信号316を生成して振幅制御部317に与える。
【0034】
振幅制御部317は、振幅Up/Down信号316により振幅信号を修正し、出力すべき振幅を表す信号である振幅信号318をPWM信号発生回路324に渡すと共に、所定の振幅範囲を逸脱して振幅制御が必要になった場合に発出する警報である振幅警報信号319を警報発出部320に与える。
【0035】
警報発出部320は、前述で説明したように、周波数警報信号311と振幅警報信号319(その他、電源警報等)を受け、警報端子321に警報信号を出力する。警報端子321に出力された信号は、警報音、警報ランプ等の駆動に使用されて外部に異常を報知する。
【0036】
前述したように構成される駆動回路は、振動子に対する駆動周波数の周波数追尾、振幅追尾、警報の各機能を実施するものであり、次に、それらの機能の概要を説明する。
【0037】
(1)周波数追尾
殺菌セル301の振動子及び振動合成器は、電気的に見ると全体として共振器を構成しており、駆動回路から見た等価回路から共振点の周辺で、印加電圧に対する電流の位相が変化する。本発明の実施形態は、位相を検出して位相が周波数に対して単調関数となる範囲であれば、位相の進みまたは遅れにより周波数を上下させることにより、周波数を安定点に収束させている。
【0038】
位相の検出は、電圧のある位相(出荷時調整)で電流をサンプルして行うが、後述するように、共振周波数で零クロス点となるタイミングで電流をサンプルするようにする。電流の検出は、すでに説明したように、低い抵抗や、トランス結合を使用する方法により行われる。
【0039】
検出された電流値は、電圧値として得られ、これを比較電圧と比較し、比較結果の大小をD−FFに記憶させ、アップダウンカウシタ(以下、UDCという)を使用して周波数数値を修正してゆく。そして、周波数数値を分周比とするPLLにより実際の周波数を実現する。
【0040】
(2)振幅追尾
殺菌セル301の振動子及び振動合成器による共振系に圧電素子等の加速度センサを使った振幅センサを固定して振幅を観測し、振幅の大きさを固定値(出荷時に調整)と比較し、その結果、振幅が大きければ振幅を小さく修正するアップダウンカウンタ(UDC)を備えて、周波数制御の場合と同様な制御を行う。
【0041】
(3)警報
装置に各種の異変があっても、それが制御可能範囲内であれば警報発出の必要はないとし、制御範囲を逸脱した場合に警報とする。制御範囲の逸脱の検出は、各最終段のUDCのあふれを監視することにより行うことができる。
【0042】
本発明の実施形態による水処理装置は、人のいない場所で稼動するため、装置単体の警報だけでなく、装置間で警報信号を接続し、操作者や分電盤で警報を発出できるようにしている。
【0043】
図4は周波数検出部328の詳細な構成を示すブロック図、図5は周波数検出の原理を説明する図、図6は駆動トランス303の等価回路を示す図であり、次に、これらの図を参照して周波数検出部328の構成と処理動作について説明する。図4において、401はノイズ除去フィルタ、402は積分回路であり、他の符号は図3の場合と同一である。
【0044】
図4に示すように、周波数検出部328に含まれる電流検出部303は、電流検出トランスにより構成され、後述するドライバ325からの2つの信号を受ける駆動トランス302の2つの一次巻線の間に接続されている。電流検出部303のトランスの二次巻線側には、抵抗とコンデンサとにより構成される微分特性を有するノイズ除去フィルタ401が設けられている。本発明の実施形態は、28KHzの周波数の信号を使用するとしており、ノイズ除去フィルタ401のカットオフ周波数は56KHzに設定される。ノイズ除去後の信号は、差動増幅器と、そのフィードバック回路に設けられる抵抗及びコンデンサの並列回路とにより構成される積分回路402を介してコンパレータ305に印加される。積分回路402は、ノイズ除去フィルタ401の微分特性により微分波形となった信号を元に戻すためのもので、本発明の実施形態の場合、そのカットオフ周波数は14KHzに設定される。
【0045】
コンパレータ305は、積分回路402をへて与えられる入力電圧をグランド電位にある基準電圧と比較し、大小の2値を出力してサンプル&ホールド回路306に入力する。サンプル&ホールド回路306は、D−FFにより構成されており、すでに説明したように、サンプルタイミング信号307の示す時刻にコンパレータ305からの出力を記憶し保持し、周波数制御部309に周波数Up/Down信号308を出力する。
【0046】
図5に周波数検出の原理を示しているが、一般に、振動子の共振点に対して印加周波数が高いか低いかにより、電圧に対する電流の位相が変化する。すなわち、振動子の共振点では、振動子は、ドライバから見て純抵抗負荷となるが、周波数がずれるとLやCに見え、電流位相が変化する。このため、純抵抗負荷となる場合の印加電圧の零クロス点(この条件では電流も零)となるタイミングで電流をサンプリングすると、その検出値が正か負かにより、印加周波数が高い側にずれているか、低い側にずれているかを判断することができ、これにより、PWM信号発生器324が生成する周波数信号を、振動子の共振点に一致させるように制御することができる。
【0047】
図6に示すように、振動子の等価回路は、抵抗R、インダクタンス及びコンデンサの直列回路と、コンデンサCとが並列接続れたものとなる。そして、電流検出部を構成する電流検出トランスは、スイッチング電流低減インダクタLCと兼用するように、また、駆動トランスは、負荷容量補償インダクタLTを構成するように設計される。なお、スイッチング電流低減インダクタLCを駆動トランスで兼用するように、すなわち、駆動トランスで、スイッチング電流低減インダクタLCと負荷容量補償インダクタLTとの両方を兼用させるようにすることもできる。
【0048】
図6に示す等価回路は、機械系の直列共振と、負荷容量及び補正インダクタによる並列共振の両方が存在するので、電流検出値が正か負かによる印加周波数が高い側にずれているか、低い側にずれているかが逆になる場合があり、これを確認しておくことが必要となる。本発明の実施形態では、機械系のQ≒20、補償系のQ<1であるので、機械系が支配的であるが、確認の結果によっては、制御の方向が逆転することもある。
【0049】
そして、本発明の実施形態では、振動子に対する電流を駆動トランス303の一次側で検出しているが、その理由は、二次側で測定すると、負荷容量と補償インダクタとに流れる電流により測定誤差を生じるので、これを避けるため、及び、電流測定用のトランスをスイッチング電流低減インダクタに兼用するためである。
【0050】
次に、負荷容量補償インダクタLTの設計について説明する。
【0051】
いま、ω0=2π・28.0KHzとする。このとき、図6のRと直列のインダクタンス及びコンデンサは共振して0Ωとなる。従って、LTとCとを共振させればよい。ここで、LTとして駆動トランスの励磁インダンタンスを利用するものとする。
【0052】
ω0・LT=1/(ω0・C)から
LT=1/((ω0)2・C) ……(式1)
となり、LTの許容偏差は、
±LT/√(Q・10) ……(式2)
となる。この式2における数値10は、ドライバに余裕があれば小さな値とすることができる。なお、Q=ω0・LT/Rである。
【0053】
具体的な例を挙げると、C=7900pf、R=37Ωの場合、LT=4.0mH、許容偏差±1mH程度、Q=0.05となる。
【0054】
次に、スイッチング電流低減インダクタLCの設計について説明する。
【0055】
振動子の共振周波数28KHzの場合、LTによる補償により、負荷である振動子は純抵抗に見えるので問題が生じることはないが、スイッチングによる高調波の周波数でLTとCとが共振しないため、負荷がCに見えてくる。このときに、ドライバのからの出力電圧をスイッチングすると、Cに大きな電流が流れ、ドライバを構成するトランジスタが損傷したり、電源効率が悪化してしまう。
【0056】
このため、本発明の実施形態は、LCを直列に挿入してスイッチング時の電流を低減するようにしている。LCの挿入による副作用として、28KHzの基本周波数の流れを妨げるという作用が生じるが、本発明の実施形態は、基本周波数の損失を1dB程度に抑える設計とする。
【0057】
伝達特性=1/(1+jω0・LC/R) ……(式3)
であるため、1dB(1/1.122)の損失となるLCは、
LC=√((1.122)2−1)・R/ω ……(式4)
となる。但し、この値は、一次側の値に変換する必要があり、駆動トランスの昇圧比nの場合、1/n2 となる。LCの許容偏差は±20%とする。
【0058】
このとき、ドライバに流れる7倍高調波の電流は、基本波に対して、
R/(7ω0・LC) ……(式5)
の倍率となる。
【0059】
具体的な例を挙げると、前述と同一の条件で、LC=1.106mH/n2 、7倍高調波の基本波に対する伝達特性の割合は0.28となる。
【0060】
一般に、高調波のレベルは基本波より小さいが、9倍、11倍等多数存在する。このため、電源効率やトランジスタの定格等を総合的に検討し、負荷として大きく問題となる場合、LCの値を大きくする代わりに、直列にコンデンサを入れて基本波を通過させるようにする、すなわち、LCと挿入するコンデンサの容量により中心周波数で共振させるようにし、LCと挿入するコンデンサの容量とのインピーダンスを中心周波数で0とするようにすることができる。
【0061】
図7は振幅検出回路314の詳細な構成を示すブロック図であり、次に、図7を参照して振幅検出回路314の構成と処理動作について説明する。図7において、701はイコライザ回路、702は検波回路、703はLPF(ローパスフィルタ)、704はコンパレータ、705はD−FFであり、他の符号は図3の場合と同一である。
【0062】
振幅センサ312からの検出信号である振幅モニタ信号316を受けて振幅Up/Down信号316を生成する振幅検出回路は、図7に示すように、振幅センサ312からの検出信号に対するイコライザ回路701と、イコライザ回路701からの出力を検波する検波課と、LPF703と、LPF703からの出力と基準電圧とを比較して結果を出力するコンパレータ704と、PLL,タイミング発生回路323からの振幅サンプルタイミング信号315によりコンパレータ704からの出力を取り込んで保持すると共に、これを振幅Up/Down信号316として出力するD−FF705とにより構成される。
【0063】
前述において、イコライザ回路701は、そのゲインが規定機械振幅を得ることができるように製造時に調整されており、振幅センサの周波数特性を補償する機能と雑音を除去する機能とを備えている。また、このイコライザ回路701は、振幅センサ312が加速度を検出するセンサにより構成されている場合、本発明の実施形態で使用する駆動周波数である28KHzの周辺を2回積分して振幅に比例した信号とする機能をも備える。
【0064】
イコライザ回路701からの出力信号は、検波回路702、LPF703を介して検出した振幅の大きさを示す直流電圧に変換されてコンパレータ704に印加される。コンパレータ704は、LPF703を介して入力される振幅の大きさを示す直流電圧と基準電圧とを比較して、どちらが大きいかを示す2値信号をD−FF705に出力する。LPF703は、28KHz成分を充分に低減させる必要があり、かつ、応答速度が遅すぎると約1秒の制御ループが不安定になるため、ある程度早い応答速度が必要である。そのため、LPF703は、カットオフ周波数が約280Hzに設定される。
【0065】
図8は周波数制御部309、振幅制御部317、PLL,タイミング発生回路323及びPWM信号発生324の詳細な構成を示すブロック図であり、次に、図8を参照して、これらの制御部及び回路の構成と処理動作とについて説明する。図8において、801〜804はUp/Downカウンタ、805はPLLクロック回路、806はタイミング発生回路、807は10ビットカウンタ、808、809は10ビット加算器、810、811は一致検出回路、812、813はパルス発生器であり、他の符号は図3の場合と同一である。
【0066】
まず、周波数制御部309及びPLL,タイミング発生回路323について説明する。周波数制御部309は、2つのUp/Downカウンタ801、802を備えて構成されており、周波数検出部328からの周波数Up/Down信号308により制御される。このUp/Down信号308は、28kHzの頻度で入力される。そして、周波数制御部309での周波数制御範囲は、F1HzからF2Hzであり、この幅は機械系の共振周波数偏差をカバーする必要があり、同時に、機械系が別モードの振動を起こすことがない程度に狭い必要もある。また、周波数制御部309での制御は、振幅制御による突入電流防止のため、振幅制御より早く行う必要があり、本発明の実施形態は、振幅制御1秒、周波数制御0.1秒とし、振幅制御と周波数制御が干渉しないように、これらの比を少なくとも10となるようにしている。
【0067】
Up/Downカウンタ(F2)802は、周波数分解能<28kHz/(10・Q)から周波数分解能が100Hz以下であることが望ましく、50Hz程度の分解能が得られるように設計する。また、周波数可変範囲は、中心周波数28kHzに対して±1kHzとする。前述の結果、Up/Downカウンタ(F2)802が出力するPLL,タイミング発生回路323に対する制御信号としての周波数信号310の最大値NF1、最小値NF2、中心値NFは、
NF1=最大周波数/分解能=29kHz/50Hz=580
NF2=最小周波数/分解能=27kHz/50Hz=540
NF=28kHz/50=560(リセット時の初期値とする)となり、従って、Up/Downカウンタ(F2)802は、10bit 必要である。
【0068】
そして、Up/Downカウンタ(F2)802は、カウンタ和がオーバーフローを起こした場合、周波数が収束しなかったとして警報を警報発出部320に送信する。
【0069】
Up/Downカウンタ(F1)801は、ランダムウォークフィルタとして、ささいな雑音からの影響を俳除し、平均値が1か0かを判定するフィルタであり、装置の立ち上げ直後等の周波数が明らかにずれている場合、受信するUp/Down信号をカウントし、オーバーフローしたらカウンタ(F2)をはじめてUp/Down制御する。
【0070】
周波数追随時間の0.1秒の間に受信するUp/Down信号308の個数は、28kHz×0.1秒=2800回である。この個数でカウンタF2の数値を最小から最大まで変化させるには、カウンタF1のオーバーフローカウント数KFは、
28KHz×0.1秒/KF=NF1−NF2 より、
KF=28KHz×O.1秒/(NF1−NF2)=70となる。
【0071】
PLL,タイミング発生回路323は、PLLクロック回路805と、タイミング発生回路806とにより構成される。PLLクロック回路805は、クロック源322からの周波数F0のクロックを、Up/Downカウンタ(F2)802からの周波数信号NFを用い、NF/K倍として出力する。ここで、F0及びKは設計によって決定される。タイミング発生回路806は、F1=28kHz×1024=28.672MHz及びいくつかの位相を発生するため、具体化時の設計によっては更に、2倍の周波数を要する場合もある。
【0072】
次に、振幅制御部317について説明する。振幅制御部317は、2つのUp/Downカウンタ803、804を備えて構成されており、振幅検出回路314からの振幅Up/Down信号316により制御される。このUp/Down信号316は、28kHzの頻度で入力される。そして、振幅制御部317での振幅制御数値NAの範囲は、0〜511であるとし、また、すでに説明したように、振幅の制御は、周波数制御より遅く、1秒であるとする。
【0073】
Up/Downカウンタ(A1)803は、ランダムウォークフィルタとして、ささいな雑音からの影響を俳除し、平均値が1か0かを判定するフィルタであり、装置の立ち上げ直後等の振幅が0からスタートする場合、受信するUp/Down信号をカウントし、オーバーフローしたらカウンタ(A2)をはじめてUp/Down制御する。
【0074】
振幅追随時間の1秒の間に受信するUp/Down信号308の個数は、28kHz×1秒=28000回である。この個数でカウンタA2の数値を最小から最大まで変化させるには、カウンタA1のオーバーフローカウント数KAは、
28KHz×1秒/KA=511 より、
KA=28KHz×1秒/511=55となる。
【0075】
そして、Up/Downカウンタ(A2)804は、オーバーフローを起こした場合、振幅が不足したとして警報を警報発出部320に送信する。
【0076】
次に、PWM信号発生回路324について説明する。PWM信号発生回路324は、図8に示しているように、10ビットカウンタ807と、2つの10ビット加算器808、809と、2つの一致検出回路810、811と、2つのパルス発生器812、813とにより、1対のPWM信号を生成することができるように構成される。
【0077】
本発明の実施形態に使用するPWM信号発生回路324は、振幅制御をも行うことができるように構成されており、まず、PWM信号発生回路324で使用するPWM信号波形と振幅制御の方法とについて制御する。
【0078】
図9は本発明の実施形態におけるPWM信号発生回路324で使用するPWM信号波形を示す図、図10は振幅制御方法について説明する図である。
【0079】
本発明の実施形態は、PWM信号発生回路324の出力信号をD級アンプによるドライバ325により増幅することとしている。その際、D級アンプを使用して電力効率を上げるために、高調波による機械系の多モード振動を抑える必要がある。そこで、本発明の実施形態は、図9に示すような波形を持つPWM信号を利用することとする。図9に示す波形は、第2次〜第6次の高調波を含まないため、機械系の多モード振動を抑えることができる。そして、本発明の実施形態では、この図9に示す波形の形状と大きさとを、変化させることなくPWM信号発生回路324から出力させている。
【0080】
一般的には、D級アンプの電源電圧によって振幅を調整することができる。しかし、このような可変電圧の電源を用いなくても、駆動トランスの両端に印加する波形の位相を変えることにより振幅を制御することが可能である。本発明の実施形態は、このような考え方に基づくもので、前述したように、PWM信号発生回路324に、1対のPWM信号を生成させている。出力位相を気にしなくてよい場合、駆動トランスの片方の信号だけを変化させてもよいが、本発明の実施形態は、周波数制御を位相検出によって行うこととしているため、振幅を変化させても位相を保持する必要がある。
【0081】
駆動トランスの両端に印加する波形の位相を変えることにより振幅を制御することができることについて、図10を参照して説明する。
【0082】
駆動トランスに印加する2つの信号が同位相である場合、図10(a)に示すように、トランスの両端の電位差が0となり、従って、出力は0となる。また、2つの信号に位相差がある場合、図10(b)に示すように、トランスの両端に電位差が発生し、出力としてはcos成分による出力が得られる。さらに、2つの信号が逆位相である場合、図10(c)に示すように、トランスの両端の電位差が2倍となり、出力としてのcos成分が最大となる。前述したような振幅の制御において、2つの信号の位相を、ある同一の位相から対称にプラス、マイナスの両方向に変化させると、出力位相を全く変化させることなく、振幅の大きさだけを制御することができる。
【0083】
図11はPWM信号発生回路324の10ビットカウンタ807が出力する数値の状況と2つのパルス発生器812、813が出力する波形を示す図、図12は制御数値NAと振幅との関係を説明する図である。
【0084】
前述したPWM信号発生回路324の構成において、10ビットカウンタ807が出力する数値Tは、図11に示すように、のこぎり状の波形となる。そして、加算器808、809は、振幅制御部318からの振幅を制御する振幅信号NAを受け、それぞれ、512−NA、512+NAを演算する。一致検出回路810、811は、10ビットカウンタ807からののこぎり状の波形と512−NA、512+NAとが一致したタイミングに合わせて、sin波をスタートさせて発生するようにパルス発生器812、813に指示を行う。パルス発生器812、813は、出力すべき振幅に応じたお互いに対称な位相変化を持った1対のPWM信号を出力する。これにより、PWM信号発生回路324は、駆動トランスを介して出力される信号の振幅を、出力位相を変化させることなく制御可能な1対のPWM信号を出力することができる。
【0085】
振幅信号の数値NAと出力振幅との関係は、直線的ではなく、図12に示すように、sinカーブとなる。自動制御の観点からは固有値を変えないリニア特性が好ましいが、応答がゆるやかになる方向のため問題ない。
【0086】
図13はドライバ325の構成を示すブロック図である。図13において、131〜134はロジック電圧−FET駆動信号変換回路、135〜138は出力用FETであり、他の符号は図3の場合と同一である。
【0087】
D級アンプにより構成されるドライバ325は、図13に示すように、4つのロジック電圧−FET駆動信号変換回路131〜134と、これらの回路に接続される4つの出力用FET135〜138とにより構成される。そして、ロジック電圧−FET駆動信号変換回路131、132は、前述で説明したPWM信号発生回路324の一方の出力に接続されており、ロジック電圧−FET駆動信号変換回路133、134は、PWM信号発生回路324の他方の出力に接続されている。また、ロジック電圧−FET駆動信号変換回路131、133は、ロジック信号のHレベルでFET135、137をONとするように、ロジック電圧−FET駆動信号変換回路132、134は、ロジック信号のLレベルでFET136、138をONとするように信号の変換を行う。さらに、FET135、136は、直列に接続されて両端に150V、0Vの電圧が印加され、FET137、138は、直列に接続されて両端に150V、0Vの電圧が印加される。
【0088】
前述のように構成されるドライバ325は、信頼性、実績のあるソナー用にドライバを流用して設計することができる。本発明の実施形態で使用するドライバがソナー用と相違する点は、負荷が異なる点、使用周波数が異なる点、連続運転も行う必要があるため放熱等を考慮すべき点、温水からの熱による温度上昇について考慮すべき点である。
【0089】
次に、本発明の実施形態での警報の発出について説明する。前述では、周波数異常、振幅異常について説明したが、これらの異常を含めて、警報の発出について説明する。
【0090】
電源OFF時
パイロットランプが点灯しない。未使用であり警報を発出しない。電源OFFにより警報発出を望む顧客があれば、設計変更で対応可能であり、例えば、ノーマルONタイプのリレーを使用して対応することができる。
【0091】
漏電時
漏電ブレーカの作動により電源が断となる。漏電ブレーカの漏電表示とパイロットランプの消灯により表現することができる。電気信号による警報は発出しない。漏電ブレーカ断により警報発出を望む顧客があれば、設計変更で対応可能であり、前述と同様に、ノーマルONタイプのリレーを使用して対応することができる。
【0092】
周波数異常
エロージョン、ゆるみ、圧電素子破壊・漏電等による規定周波数範囲外への共振点の変化時に、警報ランプと警報端子とから警報を発出する。
【0093】
振幅異常
エロージョン、ゆるみ、圧電素子破壊・漏電等による規定振幅範囲外への変化時に、警報ランプと警報端子とから警報を発出する。
【0094】
警報動作確認
毎電源投入時に、1秒間だけ警報ランプと警報端子とに警報を発出する。
【0095】
警報端子仕様
リレー接点3端子を装備と、ON時警報の組と、OFF時警報の組とを設ける。電圧・電流の容量は、AC100V、1A(電球を点灯することができる容量)とする。
【0096】
警報時保守運用方法
本発明の実施形態での警報信号は、装置外に並列に(ON時警報)または直列(OFF時警報)接続され、分電盤や保守者の警報装置を鳴動または点灯させるようにしている。保守者は、装置の場所へ駆け付け、装置毎に設けた警報ランプを見て、異常な装置を特定することができる。また、多数の殺菌セルを並列運転しているため、1台の殺菌セルが停止しても全体の殺菌率が0になることはない。
【0097】
メーカ等の保守者は、バルブ操作により水をバイパスさせ、異常な装置を取り外し、または交換した後、バルブを元に戻せばよい。修理後の交換も同様に行うことができる。分流器と合流器とは、殺菌セルが外された場合にも、水が漏れないように栓ができるようにしておく必要があり、これにより、複数の殺菌セルの一部を修理等のために取り外した場合にも、残りの殺菌セルによりシステムの運転を続けることができる。
【0098】
前述した本発明の実施形態は、FPGA等のディジタル回路により制御を行うとして説明したが、本発明は、安価なCPUを使用して同等の処理を行うようにすることができ、また、アナログ回路によって同等な処理を行うようにすることもできる。
【0099】
前述した本発明は、温泉水向けの循環式の浴槽水の殺菌に使用する例を挙げて説明したが、本発明は、水道水、汚泥処理水、タンカーのバラスト水の処理にも使用することができ、さらに、他に超音波加工機(加工具、医療用超音波メス、ワイヤボンダ、溶融型接着剤加熱器)等の周波数・振幅の自動制御及び警報検出に適用することができる。
【0100】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、最適なキャビテーションが発生するように超音波の周波数に対する自動追尾、振幅の自動制御を行うことができ、装置自体が削れてゆくことによる共振周波数の変化が動作範囲を超えた場合、水がない場合等の異常を知らせることができ、周波数と振幅とのどちらかが追随範囲を逸脱した場合に警報を発することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による水処理装置を循環式浴槽の殺菌に使用した場合のシステム構成を示すブロック図である。
【図2】図1における配管系の構成を示す図である。
【図3】本発明の一実施形態による水処理装置の構成を示すブロック図である。
【図4】周波数検出部の詳細な構成を示すブロック図である。
【図5】周波数検出の原理を説明する図である。
【図6】駆動トランスの等価回路を示す図である。
【図7】振幅検出回路の詳細な構成を示すブロック図である。
【図8】周波数制御部、振幅制御部、PLL,タイミング発生回路及びPWM信号発生の詳細な構成を示すブロック図である。
【図9】本発明の実施形態におけるPWM信号発生回路で使用するPWM信号波形を示す図である。
【図10】振幅制御方法について説明する図である。
【図11】PWM信号発生回路の10ビットカウンタが出力する数値の状況と2つのパルス発生器が出力する波形を示す図である。
【図12】制御数値NAと振幅との関係を説明する図である。
【図13】ドライバの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
101 浴槽
102 塩素源
103 集毛器
104 ポンプ
105 濾過器
106 配管系
107 配線系
108 配管パイプ
109〜111 バルブ
112 分流器
113 合流器
114 水処理装置
115 加熱器
116 元ブレーカ
117 警報表示装置
201 防雨電源端子
202 漏電ブレーカ兼電源スイッチ(SW)
203 パイロットランプ
204 警報ランプ
205 アース、警報端子
206 ボルト止め金具
207 水栓
301 殺菌セル
302 駆動トランス
303 電流検出部
305 コンパレータ
306 サンプル&ホールド回路
309 周波数制御部
312 振幅センサ
314 振幅検出回路
317 振幅制御部
320 警報発出部
321 警報端子
322 クロック源
323 PLL,タイミング発生回路
324 PWM信号発生回路
325 ドライバ
326 電源回路
327 アース端子
328 周波数検出部
330、331 振動子
332 振動合成器
333 円筒容器
334 殺菌円筒
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a water treatment method and a water treatment apparatus, and more particularly to a water treatment method and a water treatment apparatus suitable for use in sterilization of bacteria in drinking water, a circulating bath, and the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, it has been known that strong ultrasonic waves have a bactericidal effect, and a bactericidal apparatus has been developed that uses this bactericidal effect to sterilize problematic bacteria in drinking water and a circulating bath. And the technique described in patent document 1, patent document 2, etc. is known as a prior art regarding the water treatment apparatus as this kind of sterilizer, for example.
[0003]
The above-described water treatment apparatus according to the prior art uses the resonance of the ultrasonic generation mechanism to apply ultrasonic waves having a large amplitude (about 1 μm) to the water to generate cavitation, which occurs at the time of contraction. Bacteria are mechanically destroyed by high-temperature, high-pressure, high-speed water flow. It is said that sterilization by ultrasonic waves is generally sterilized by oxidation by sonochemical effect, but when using a low frequency of about 28 kHz, it is mechanically pulverized against large bacteria of about 5 μm. The effect is confirmed.
[0004]
In addition, for example, Patent Document 3 discloses a technique related to an ultrasonic device that can change the frequency of an ultrasonic wave so as to maintain the resonance point of an ultrasonic vibrator that varies depending on the state of a liquid that applies ultrasonic waves. It is described in Patent Document 4, Patent Document 5, and the like.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-9448 A
[0006]
[Patent Document 2]
JP 2001-334264 A
[0007]
[Patent Document 3]
JP-A-6-71226
[0008]
[Patent Document 4]
JP-A-7-265794
[0009]
[Patent Document 5]
JP 2001-212514 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
When the water treatment apparatus according to the prior art described above is actually operated, the optimum ultrasonic frequency for cavitation may fluctuate due to the influence of water temperature, flow velocity, impurities, etc. Has the problem that it may not be possible.
[0011]
In addition, the above-described prior art has a problem that when used in the absence of water, the amplitude becomes abnormally large and there is a risk that the device may be broken, and the device itself is caused by cavitation generated by the device. It has a problem that it is scraped off and causes a change in resonance frequency.
[0012]
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, enable automatic tracking for the frequency of ultrasonic waves and automatic control of amplitude so that optimum cavitation occurs, and resonance caused by the device itself being shaved. Water treatment that makes it possible to notify abnormalities such as when the frequency change exceeds the operating range or when there is no water, and to issue an alarm when either the frequency or amplitude deviates from the tracking range It is to provide a method and a water treatment apparatus.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the object is to control the vibrator of the sterilization cell and to detect the amplitude of the vibrator in a water treatment method for sterilizing bacteria in water by applying ultrasonic vibration to water to be treated. The frequency of the signal applied to the vibrator is detected, and based on the detected amplitude of the vibrator and the detected signal frequency, the amplitude and the vibration frequency of the vibrator are controlled to become target values. Then, the amplitude control of the vibrator at that time is performed by applying a pair of PWM signals having phase changes symmetrical to each other according to the magnitude of the amplitude to the vibrator via the drive transformer, thereby obtaining the vibration phase. To control the amplitude without changing Is achieved.
[0014]
Another object of the present invention is to provide a means for detecting the amplitude of a vibrator and a vibrator in a water treatment apparatus for sterilizing bacteria in water by driving and controlling a vibrator of a sterilization cell and applying ultrasonic vibration to water to be treated. A means for detecting the frequency of the signal applied to the control means, a control means for controlling the amplitude of the vibrator to be a target value based on the detected amplitude of the vibrator, and a frequency of the detected signal. Control means for controlling the vibration frequency of the vibrator to be a target value. The amplitude control means of the vibrator synthesizes the pair of PWM signals with the PWM signal generation means for generating a pair of PWM signals having phase changes symmetrical to each other according to the magnitude of the amplitude. And a driving transformer applied to the vibrator. Is achieved.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a water treatment method and a water treatment apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1 is a block diagram showing a system configuration when a water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention is used for sterilization of a circulating bath, and FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a piping system in FIG. 1 and 2, 101 is a bathtub, 102 is a chlorine source, 103 is a hair collector, 104 is a pump, 105 is a filter, 106 is a piping system, 107 is a wiring system, 108 is a piping pipe, and 109 to 111 are Valve, 112 is a shunt, 113 is a merger, 114 is a water treatment device, 115 is a heater, 116 is a former breaker, 117 is an alarm display device, 201 is a rainproof power terminal, 202 is a leakage breaker / power switch (SW ), 203 is a pilot lamp, 204 is an alarm lamp, 205 is ground, an alarm terminal, 206 is a bolt stopper, and 207 is a faucet.
[0017]
The system using one or more water treatment devices 114 according to an embodiment of the present invention for the sterilization of a circulating bath is a chlorine source that sterilizes chlorine while circulating the water in the bath 101 as shown in FIG. 102, a hair collector 103 that removes relatively large dust and the like, a pump 104 that circulates water, a filter 105 that removes fine dust, and a water treatment device 114 according to an embodiment of the present invention after filtering water. And a heating system 115 for heating the sterilized water, and the heated water is returned to the bathtub 101.
[0018]
The piping system 106 is branched upstream of a piping pipe 108 having two branches, a valve 109 provided in the middle of the two branches, and valves 110 and 111 provided in each of the two branched piping pipes. The flow divider 112 is provided at the front end of the pipe and the merger 113 is provided at the front end of the pipe branched on the downstream side. And as shown to Fig.2 (a), the diverter 112 is a piping pipe which distributes the water before a process to the 1 or several water treatment apparatus 114 (it is only shown with the thin line in Fig.2 (a)). In addition, the merger 113 is connected to a piping pipe that takes in the treated water from the water treatment device 114.
[0019]
One or a plurality of water treatment devices 114 are connected to a wiring system 107 for supplying AC 100V power via the original breaker 116 and displaying an alarm on the alarm display device 117. As will be described later, a sterilization cylinder constituting an ultrasonic sterilizer is provided inside the water treatment device 114. As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the water treatment device 114 has a width of 30 cm, a depth of 30 cm, and a height of about 40 cm. Are arranged separately on the front side and the back side of the casing of the water treatment device 114, and on the front side of the casing are a rainproof power terminal 201, an earth leakage breaker / power switch 202, a pilot lamp 203, an alarm A lamp 204, a ground, and an alarm terminal 205 are disposed, and a water faucet 207 for a pipe connected to the flow divider 112 and the merger 113 is disposed on the back side. Further, although not shown in FIG. 2, a bolting metal fitting 206 is provided in a bowl-shaped portion on the bottom surface of the housing.
[0020]
The circulation tub sterilization system shown in FIG. 1 configured as described above is used in a state where the valve 109 is closed and the valves 110 and 111 are opened in the operating state. And the water which passed the filter 105 is supplied to the several water treatment apparatus 114 via the valve | bulb 110 and the flow divider 112, and after sterilization by an ultrasonic wave by the water treatment apparatus 114 demonstrated in detail later, It is sent to the heater 115 through the merger 113 and the valve 111, heated to a predetermined temperature by the heater 115, and then returned to the bathtub.
[0021]
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the water treatment apparatus according to one embodiment of the present invention. Next, the configuration of the water treatment apparatus 114 connected according to FIGS. 1 and 2 will be described with reference to FIG. In FIG. 3, 301 is a sterilization cell, 302 is a drive transformer, 303 is a current detection unit, 305 is a comparator, 306 is a sample and hold circuit, 309 is a frequency control unit, 312 is an amplitude sensor, 314 is an amplitude detection circuit, and 317 is Amplitude control unit, 320 is an alarm issuing unit, 321 is an alarm terminal, 322 is a clock source, 323 is a PLL, timing generation circuit, 324 is a PWM signal generation circuit, 325 is a driver, 326 is a power supply circuit, 327 is a ground terminal, 328 Is a frequency detector, 330 and 331 are vibrators, 332 is a vibration synthesizer, 333 is a cylindrical container, and 334 is a sterilization cylinder.
[0022]
As shown in FIG. 3, a water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention includes a sterilization cell 301 configured as described later, a drive circuit that drives vibrators 330 and 331 in the sterilization cell 301, and a drive circuit. And a power supply circuit 326 for supplying the necessary power.
[0023]
In FIG. 3, a sterilization cell 301 is provided with a sterilization cylinder 334 made of a metal lump inside a cylindrical container 333, and water to be treated is introduced from the lower surface of the cylindrical container 333 between the sterilization cylinder 334 and the inner wall of the cylindrical container 333. Accordingly, the sterilized water is extracted from the upper part of the cylindrical container 333. The sterilization cylinder 334 is coupled to a vibration synthesizer 332 that synthesizes the vibrations of the two Langevin type vibrators 330 and 331 driven in the ultrasonic region, and the vibration transmitted from the vibration synthesizer 332 flows through the surrounding water. To communicate. The water flowing around the sterilization cylinder 334 causes cavitation by the vibration of the applied ultrasonic waves to sterilize the bacteria present in the water.
[0024]
The entire mechanical part including the vibrators 330 and 331, the vibration synthesizer 332, and the sterilization cylinder 333 in the sterilization cell 301 described above constitutes a resonator when viewed from the drive circuit that drives the vibrators 330 and 331. The frequency of the signal applied to the vibrators 330 and 331 is set to the resonance frequency. As a result, cavitation can be generated by efficiently applying large vibrations to the water to be signaled. However, the resonance frequency described above may be shifted due to the influence of water temperature, flow velocity, impurities, etc.In the embodiment of the present invention, the frequency applied to the vibrator is set corresponding to the resonance frequency deviation of the mechanism portion described above. The follow-up control is performed, and the amplitude is also controlled so as to be maintained at a set size.
[0025]
Next, a drive circuit that controls the vibrators 330 and 331 by controlling the frequency and amplitude as described above will be described.
[0026]
The PLL and timing generation circuit 323 receives a signal from the clock source 322 that is a timing source for the driving circuit according to the embodiment of the present invention constituted by a digital circuit, and a frequency according to a frequency signal that drives the vibrators 330 and 331. And the frequency signal is passed to a PWM signal generation circuit 324 that generates a sine wave based on a pulse width modulation signal, and a sample timing signal 307 is supplied to a sample hold circuit 306 in the frequency detection unit 328, and its sensitivity at the time of manufacture. The timing signal 315 is supplied to the amplitude detection circuit 314 in which is adjusted.
[0027]
The PWM signal generation circuit 324 that has received the frequency signal from the PLL and timing generation circuit 323 generates a sine wave by the pulse width modulation signal to generate a PWM signal corresponding to the frequency signal, and the PWM signal is sent to the driver 325. give. The driver 325 is configured by a class D amplifier (an amplifier that amplifies digital binary signals of 0 and 1 to a large voltage). A class D amplifier that amplifies a binary signal can be configured by a switch, and can perform amplification more efficiently than linear amplifiers such as class A and class B amplifiers.
[0028]
The signal amplified by the driver 325 is applied to the vibrators 330 and 331 of the sterilization cell 301 via the drive transformer 302 that matches the impedance between the driver and the vibrator, and the water flowing in the sterilization cell 301 is described above. Used to sterilize.
[0029]
A frequency detection unit 328 including a current detection unit 303, a comparator 305, and a sample and hold circuit 306 is provided on the primary side (the side connected to the driver 325) of the drive transformer 302 described above. The current detection unit 303 includes a transformer, a resistor, and the like. The current detection unit 303 detects a current flowing through the driving transformer 302, compares the current monitor signal 304 as a signal corresponding to the detected current with the reference voltage, A binary value is given to the comparator 305.
[0030]
The sample and hold circuit 306 stores and holds the output from the comparator 305 at the time indicated by the sample timing signal 307. If the current frequency is the sterilization cell resonance frequency, the sample timing signal 307 is a signal indicating the timing at which the current should be 0, that is, the frequency signal 0 output from the PLL and timing generation circuit 323 to the PWM generation circuit 324. It is a signal which shows a cross point. The signal from the sample and hold circuit 306 is given to the frequency control unit 309 as a frequency Up / Down signal 308 which is a signal for giving an instruction to raise or lower the frequency.
[0031]
In response to the frequency Up / Down signal 308, the frequency control unit 309 generates a frequency signal 310 representing a frequency to be output for controlling the frequency of the frequency signal generated by the PLL and timing generation circuit 323. In addition, a frequency alarm signal 311 for alarming an abnormality is provided to the alarm issuing unit 320 when the frequency greatly changes to deviate from a predetermined frequency range and frequency control becomes necessary.
[0032]
On the other hand, the vibration synthesizer 332 of the sterilization cell 301 is provided with an amplitude sensor 312 that generates a signal corresponding to the amplitude of a piezoelectric element or the like, and an amplitude monitor signal 313 indicating the magnitude of the amplitude from the amplitude sensor 312. Is supplied to the amplitude detection circuit 314. As the amplitude sensor 312, an acceleration sensor is generally used, and a representative example of the amplitude sensor is a piezoelectric element. In addition, an acceleration sensor using a micromachine can also be used.
[0033]
The amplitude detection circuit 314 uses the frequency given to the vibrators 330 and 331 based on the timing signal 315 indicating the timing for evaluating the amplitude (in the embodiment of the present invention, 28 kHz is used, but generally from 10 kHz to several The amplitude monitor signal 313 from the amplitude sensor 312 alternating with the ultrasonic frequency (MHz) is detected and converted into a DC level, the magnitude of the amplitude is compared with a predetermined value, and the amplitude Up / Down indicating the magnitude of the control direction A signal 316 is generated and given to the amplitude controller 317.
[0034]
The amplitude control unit 317 corrects the amplitude signal by the amplitude Up / Down signal 316, passes the amplitude signal 318 representing the amplitude to be output to the PWM signal generation circuit 324, and deviates from the predetermined amplitude range. An amplitude warning signal 319, which is an alarm issued when control is required, is given to the alarm issuing unit 320.
[0035]
As described above, the alarm issuing unit 320 receives the frequency alarm signal 311 and the amplitude alarm signal 319 (others, such as a power supply alarm) and outputs an alarm signal to the alarm terminal 321. The signal output to the alarm terminal 321 is used for driving an alarm sound, an alarm lamp, etc., and notifies the outside of the abnormality.
[0036]
The drive circuit configured as described above performs the frequency tracking, amplitude tracking, and alarm functions of the drive frequency for the vibrator. Next, an outline of these functions will be described.
[0037]
(1) Frequency tracking
The vibrator and vibration synthesizer of the sterilization cell 301 constitute a resonator as a whole when viewed electrically, and the phase of the current with respect to the applied voltage changes around the resonance point from the equivalent circuit viewed from the drive circuit. . In the embodiment of the present invention, if the phase is in a range where the phase is a monotone function with respect to the frequency, the frequency is converged to a stable point by moving the frequency up or down by the advance or delay of the phase.
[0038]
The phase is detected by sampling the current at a phase with voltage (adjustment at the time of shipment). However, as will be described later, the current is sampled at a timing at which the resonance frequency becomes the zero cross point. As described above, the current is detected by a method using a low resistance or a transformer coupling.
[0039]
The detected current value is obtained as a voltage value, compared with the comparison voltage, the magnitude of the comparison result is stored in the D-FF, and the frequency value is calculated using an up / down counter (hereinafter referred to as UDC). I will fix it. Then, an actual frequency is realized by a PLL whose frequency ratio is a frequency division ratio.
[0040]
(2) Amplitude tracking
An amplitude sensor using an acceleration sensor such as a piezoelectric element is fixed to the resonance system by the vibrator and vibration synthesizer of the sterilization cell 301, the amplitude is observed, and the magnitude of the amplitude is compared with a fixed value (adjusted at the time of shipment). As a result, if the amplitude is large, an up / down counter (UDC) for correcting the amplitude to be small is provided, and the same control as in the frequency control is performed.
[0041]
(3) Alarm
Even if there are various abnormalities in the device, it is not necessary to issue an alarm if it is within the controllable range, and an alarm is issued if the control range is exceeded. The deviation of the control range can be detected by monitoring the overflow of the UDC at each final stage.
[0042]
Since the water treatment apparatus according to the embodiment of the present invention operates in a place where there is no person, not only a single alarm but also an alarm signal is connected between the apparatuses so that an alarm can be issued by an operator or a distribution board. ing.
[0043]
4 is a block diagram showing a detailed configuration of the frequency detection unit 328, FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of frequency detection, and FIG. 6 is a diagram showing an equivalent circuit of the drive transformer 303. The configuration and processing operation of the frequency detection unit 328 will be described with reference to FIG. In FIG. 4, 401 is a noise removal filter, 402 is an integration circuit, and other symbols are the same as those in FIG.
[0044]
As shown in FIG. 4, the current detection unit 303 included in the frequency detection unit 328 is configured by a current detection transformer, and is between two primary windings of the drive transformer 302 that receives two signals from a driver 325 described later. It is connected. On the secondary winding side of the transformer of the current detection unit 303, a noise removal filter 401 having a differential characteristic composed of a resistor and a capacitor is provided. The embodiment of the present invention uses a signal having a frequency of 28 KHz, and the cutoff frequency of the noise removal filter 401 is set to 56 KHz. The signal after noise removal is applied to the comparator 305 via an integration circuit 402 configured by a differential amplifier and a parallel circuit of a resistor and a capacitor provided in the feedback circuit. The integration circuit 402 is for returning a signal having a differential waveform due to the differential characteristic of the noise removal filter 401. In the embodiment of the present invention, the cutoff frequency is set to 14 KHz.
[0045]
The comparator 305 compares the input voltage supplied to the integrating circuit 402 with a reference voltage that is at the ground potential, outputs a large and small binary value, and inputs it to the sample and hold circuit 306. The sample and hold circuit 306 is configured by a D-FF, and as described above, stores and holds the output from the comparator 305 at the time indicated by the sample timing signal 307, and the frequency control unit 309 stores the frequency Up / Down. The signal 308 is output.
[0046]
FIG. 5 shows the principle of frequency detection. Generally, the phase of the current with respect to the voltage changes depending on whether the applied frequency is high or low with respect to the resonance point of the vibrator. That is, at the resonance point of the vibrator, the vibrator becomes a pure resistance load when viewed from the driver, but when the frequency is shifted, it looks like L or C, and the current phase changes. Therefore, if the current is sampled at the timing when the zero cross point of the applied voltage (current is zero under this condition) in the case of a pure resistance load, the applied frequency is shifted to the higher side depending on whether the detected value is positive or negative. Therefore, the frequency signal generated by the PWM signal generator 324 can be controlled to coincide with the resonance point of the vibrator.
[0047]
As shown in FIG. 6, the equivalent circuit of the vibrator is a series circuit of a resistor R, an inductance and a capacitor, and a capacitor C connected in parallel. And the current detection transformer which comprises a current detection part is designed so that it may serve as switching current reduction inductor LC, and a drive transformer may constitute load capacity compensation inductor LT. Note that the switching current reduction inductor LC can be used also as a drive transformer, that is, the drive transformer can be used as both the switching current reduction inductor LC and the load capacitance compensation inductor LT.
[0048]
The equivalent circuit shown in FIG. 6 has both mechanical series resonance and parallel resonance due to the load capacitance and the correction inductor. Therefore, the applied frequency is shifted to the higher side depending on whether the current detection value is positive or negative, or low. In some cases, it may be reversed that it is shifted to the side, and it is necessary to confirm this. In the embodiment of the present invention, since the mechanical system Q≈20 and the compensation system Q <1, the mechanical system is dominant. However, depending on the result of confirmation, the direction of control may be reversed.
[0049]
In the embodiment of the present invention, the current to the vibrator is detected on the primary side of the drive transformer 303. The reason is that when measured on the secondary side, the measurement error is caused by the current flowing in the load capacitance and the compensation inductor. This is to avoid this and to use the current measuring transformer also as the switching current reducing inductor.
[0050]
Next, the design of the load capacitance compensation inductor LT will be described.
[0051]
Now, ω0 = 2π · 28.0 KHz. At this time, the inductance and the capacitor in series with R in FIG. 6 resonate to become 0Ω. Therefore, LT and C may be resonated. Here, the excitation inductance of the drive transformer is used as LT.
[0052]
From ω0 · LT = 1 / (ω0 · C)
LT = 1 / ((ω0) 2 ・ C) (Formula 1)
The allowable deviation of LT is
± LT / √ (Q · 10) (Formula 2)
It becomes. The numerical value 10 in Equation 2 can be a small value if the driver has a margin. Note that Q = ω0 · LT / R.
[0053]
As a specific example, when C = 7900 pf and R = 37Ω, LT = 4.0 mH, allowable deviation ± 1 mH, and Q = 0.05.
[0054]
Next, the design of the switching current reducing inductor LC will be described.
[0055]
In the case of the resonance frequency of the vibrator of 28 kHz, there is no problem because the vibrator as a load appears to be a pure resistance due to compensation by LT, but LT and C do not resonate at the harmonic frequency due to switching. Appears in C. At this time, if the output voltage from the driver is switched, a large current flows through C, and the transistor constituting the driver is damaged or the power supply efficiency is deteriorated.
[0056]
For this reason, in the embodiment of the present invention, LC is inserted in series to reduce the current during switching. As a side effect due to the insertion of the LC, there is an effect that the flow of the fundamental frequency of 28 KHz is prevented, but the embodiment of the present invention is designed to suppress the loss of the fundamental frequency to about 1 dB.
[0057]
Transfer characteristic = 1 / (1 + jω0 · LC / R) (Equation 3)
Therefore, the LC with a loss of 1 dB (1 / 1.122) is
LC = √ ((1.122) 2 -1) R / ω (Formula 4)
It becomes. However, this value needs to be converted to a primary value. In the case of the step-up ratio n of the driving transformer, 1 / n 2 It becomes. The LC tolerance is ± 20%.
[0058]
At this time, the 7th harmonic current flowing through the driver is
R / (7ω0 · LC) (Formula 5)
It becomes the magnification of.
[0059]
To give a specific example, LC = 1.106 mH / n under the same conditions as described above. 2 The ratio of the transfer characteristic to the fundamental wave of the seventh harmonic is 0.28.
[0060]
In general, the level of harmonics is smaller than that of the fundamental wave, but there are many such as 9 times and 11 times. For this reason, if the power efficiency and transistor ratings are comprehensively examined and the load becomes a big problem, instead of increasing the LC value, a capacitor is inserted in series to pass the fundamental wave, that is, The resonance between the LC and the capacitor to be inserted is made to resonate at the center frequency, and the impedance between the LC and the capacitor to be inserted can be made zero at the center frequency.
[0061]
FIG. 7 is a block diagram showing a detailed configuration of the amplitude detection circuit 314. Next, the configuration and processing operation of the amplitude detection circuit 314 will be described with reference to FIG. In FIG. 7, 701 is an equalizer circuit, 702 is a detection circuit, 703 is an LPF (low-pass filter), 704 is a comparator, 705 is a D-FF, and other symbols are the same as those in FIG.
[0062]
The amplitude detection circuit that receives the amplitude monitor signal 316 that is the detection signal from the amplitude sensor 312 and generates the amplitude Up / Down signal 316 includes an equalizer circuit 701 for the detection signal from the amplitude sensor 312 as shown in FIG. The detection section for detecting the output from the equalizer circuit 701, the LPF 703, the comparator 704 for comparing the output from the LPF 703 and the reference voltage and outputting the result, and the amplitude sample timing signal 315 from the PLL and timing generation circuit 323 The D-FF 705 captures and holds the output from the comparator 704 and outputs it as an amplitude Up / Down signal 316.
[0063]
In the above description, the equalizer circuit 701 is adjusted at the time of manufacture so that the gain can obtain a specified mechanical amplitude, and has a function of compensating the frequency characteristic of the amplitude sensor and a function of removing noise. In addition, when the amplitude sensor 312 is configured by a sensor that detects acceleration, the equalizer circuit 701 is a signal that is proportional to the amplitude by integrating twice around the 28 kHz frequency that is used in the embodiment of the present invention. It also has the function.
[0064]
The output signal from the equalizer circuit 701 is converted into a DC voltage indicating the magnitude of the amplitude detected via the detection circuit 702 and the LPF 703 and applied to the comparator 704. The comparator 704 compares the DC voltage indicating the magnitude of the amplitude input via the LPF 703 and the reference voltage, and outputs a binary signal indicating which is larger to the D-FF 705. The LPF 703 needs to sufficiently reduce the 28 KHz component, and if the response speed is too slow, the control loop of about 1 second becomes unstable, and thus a response speed that is relatively fast is required. Therefore, the cutoff frequency of the LPF 703 is set to about 280 Hz.
[0065]
FIG. 8 is a block diagram showing detailed configurations of the frequency control unit 309, the amplitude control unit 317, the PLL, the timing generation circuit 323, and the PWM signal generation 324. Next, with reference to FIG. The circuit configuration and processing operation will be described. In FIG. 8, 801 to 804 are Up / Down counters, 805 is a PLL clock circuit, 806 is a timing generation circuit, 807 is a 10-bit counter, 808 and 809 are 10-bit adders, 810 and 811 are coincidence detection circuits, 812, Reference numeral 813 denotes a pulse generator, and other reference numerals are the same as those in FIG.
[0066]
First, the frequency control unit 309, the PLL, and the timing generation circuit 323 will be described. The frequency control unit 309 includes two Up / Down counters 801 and 802 and is controlled by a frequency Up / Down signal 308 from the frequency detection unit 328. The Up / Down signal 308 is input at a frequency of 28 kHz. The frequency control range in the frequency control unit 309 is F1 Hz to F2 Hz. This width needs to cover the resonance frequency deviation of the mechanical system, and at the same time, the mechanical system does not cause vibration in another mode. It is also necessary to be narrow. Further, the control by the frequency control unit 309 needs to be performed earlier than the amplitude control in order to prevent an inrush current by the amplitude control. In the embodiment of the present invention, the amplitude control is 1 second and the frequency control is 0.1 second. These ratios are set to be at least 10 so that the control and the frequency control do not interfere with each other.
[0067]
The Up / Down counter (F2) 802 preferably has a frequency resolution of 100 Hz or less from a frequency resolution <28 kHz / (10 · Q), and is designed to obtain a resolution of about 50 Hz. The frequency variable range is ± 1 kHz with respect to the center frequency of 28 kHz. As a result, the maximum value NF1, minimum value NF2, and center value NF of the frequency signal 310 as a control signal for the PLL output from the Up / Down counter (F2) 802 and the timing generation circuit 323 are:
NF1 = maximum frequency / resolution = 29 kHz / 50 Hz = 580
NF2 = Minimum frequency / Resolution = 27 kHz / 50 Hz = 540
NF = 28 kHz / 50 = 560 (the initial value at the time of resetting), and therefore, the Up / Down counter (F2) 802 requires 10 bits.
[0068]
When the counter sum overflows, the Up / Down counter (F2) 802 transmits an alarm to the alarm issuing unit 320 on the assumption that the frequency has not converged.
[0069]
Up / Down counter (F1) 801 is a random walk filter that eliminates the effects of trivial noise and determines whether the average value is 1 or 0. The frequency immediately after the startup of the device is clear If it is deviated, the received Up / Down signal is counted, and when it overflows, the counter (F2) is controlled for up / down for the first time.
[0070]
The number of Up / Down signals 308 received during the frequency tracking time of 0.1 seconds is 28 kHz × 0.1 seconds = 2800 times. In order to change the value of the counter F2 from the minimum to the maximum with this number, the overflow count number KF of the counter F1 is:
From 28KHz × 0.1sec / KF = NF1-NF2,
KF = 28 KHz × O. 1 second / (NF1-NF2) = 70.
[0071]
The PLL / timing generation circuit 323 includes a PLL clock circuit 805 and a timing generation circuit 806. The PLL clock circuit 805 outputs the clock of the frequency F0 from the clock source 322 as NF / K times using the frequency signal NF from the Up / Down counter (F2) 802. Here, F0 and K are determined by design. Since the timing generation circuit 806 generates F1 = 28 kHz × 1024 = 28.672 MHz and several phases, the frequency may be doubled depending on the design at the time of implementation.
[0072]
Next, the amplitude control unit 317 will be described. The amplitude control unit 317 includes two Up / Down counters 803 and 804, and is controlled by an amplitude Up / Down signal 316 from the amplitude detection circuit 314. The Up / Down signal 316 is input at a frequency of 28 kHz. The range of the amplitude control numerical value NA in the amplitude control unit 317 is 0 to 511, and as already described, the amplitude control is slower than the frequency control and is 1 second.
[0073]
The Up / Down counter (A1) 803 is a filter that eliminates the influence of trivial noise as a random walk filter and determines whether the average value is 1 or 0. When starting from, the up / down signal to be received is counted, and when it overflows, the counter (A2) is controlled for up / down for the first time.
[0074]
The number of Up / Down signals 308 received during one second of the amplitude following time is 28 kHz × 1 second = 28000 times. In order to change the value of the counter A2 from the minimum to the maximum with this number, the overflow count number KA of the counter A1 is:
From 28KHz × 1sec / KA = 511,
KA = 28 kHz × 1 second / 511 = 55.
[0075]
Then, when an overflow occurs, the Up / Down counter (A2) 804 transmits an alarm to the alarm issuing unit 320 because the amplitude is insufficient.
[0076]
Next, the PWM signal generation circuit 324 will be described. As shown in FIG. 8, the PWM signal generation circuit 324 includes a 10-bit counter 807, two 10-bit adders 808 and 809, two coincidence detection circuits 810 and 811, two pulse generators 812, 813 is configured to generate a pair of PWM signals.
[0077]
The PWM signal generation circuit 324 used in the embodiment of the present invention is configured to be able to perform amplitude control. First, the PWM signal waveform used in the PWM signal generation circuit 324 and the amplitude control method are described. Control.
[0078]
FIG. 9 is a diagram showing a PWM signal waveform used in the PWM signal generation circuit 324 in the embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a diagram for explaining an amplitude control method.
[0079]
In the embodiment of the present invention, the output signal of the PWM signal generation circuit 324 is amplified by a driver 325 using a class D amplifier. At that time, in order to increase the power efficiency using the class D amplifier, it is necessary to suppress the multi-mode vibration of the mechanical system due to the harmonics. Therefore, the embodiment of the present invention uses a PWM signal having a waveform as shown in FIG. Since the waveform shown in FIG. 9 does not include the second to sixth harmonics, multimode vibration of the mechanical system can be suppressed. In the embodiment of the present invention, the waveform shape and size shown in FIG. 9 are output from the PWM signal generation circuit 324 without being changed.
[0080]
In general, the amplitude can be adjusted by the power supply voltage of the class D amplifier. However, the amplitude can be controlled by changing the phase of the waveform applied to both ends of the drive transformer without using such a variable voltage power supply. The embodiment of the present invention is based on such a concept. As described above, the PWM signal generation circuit 324 generates a pair of PWM signals. If it is not necessary to care about the output phase, only one signal of the drive transformer may be changed. However, in the embodiment of the present invention, frequency control is performed by phase detection. It is necessary to maintain the phase.
[0081]
The fact that the amplitude can be controlled by changing the phase of the waveform applied to both ends of the drive transformer will be described with reference to FIG.
[0082]
When the two signals applied to the driving transformer have the same phase, as shown in FIG. 10A, the potential difference between both ends of the transformer becomes 0, and therefore the output becomes 0. Further, when there is a phase difference between the two signals, as shown in FIG. 10B, a potential difference is generated between both ends of the transformer, and an output by a cos component is obtained as an output. Further, when the two signals are in opposite phases, as shown in FIG. 10C, the potential difference between both ends of the transformer is doubled, and the cos component as the output is maximized. In the amplitude control as described above, if the phase of two signals is changed symmetrically in both positive and negative directions from the same phase, only the magnitude of the amplitude is controlled without changing the output phase at all. be able to.
[0083]
FIG. 11 is a diagram showing a numerical value output from the 10-bit counter 807 of the PWM signal generation circuit 324 and waveforms output from the two pulse generators 812 and 813, and FIG. 12 explains the relationship between the control numerical value NA and the amplitude. FIG.
[0084]
In the configuration of the PWM signal generation circuit 324 described above, the numerical value T output from the 10-bit counter 807 has a sawtooth waveform as shown in FIG. The adders 808 and 809 receive the amplitude signal NA for controlling the amplitude from the amplitude control unit 318, and calculate 512-NA and 512 + NA, respectively. The coincidence detection circuits 810 and 811 cause the pulse generators 812 and 813 to start and generate a sine wave at the timing when the sawtooth waveform from the 10-bit counter 807 coincides with 512-NA and 512 + NA. Give instructions. The pulse generators 812 and 813 output a pair of PWM signals having mutually symmetrical phase changes according to the amplitude to be output. Thus, the PWM signal generation circuit 324 can output a pair of PWM signals that can control the amplitude of the signal output via the drive transformer without changing the output phase.
[0085]
The relationship between the numerical value NA of the amplitude signal and the output amplitude is not linear, and is a sin curve as shown in FIG. From the viewpoint of automatic control, a linear characteristic that does not change the eigenvalue is preferable, but there is no problem because the response becomes gradual.
[0086]
FIG. 13 is a block diagram showing the configuration of the driver 325. In FIG. 13, reference numerals 131 to 134 denote logic voltage-FET drive signal conversion circuits, reference numerals 135 to 138 denote output FETs, and other reference numerals are the same as those in FIG.
[0087]
As shown in FIG. 13, the driver 325 including a class D amplifier includes four logic voltage-FET drive signal conversion circuits 131 to 134 and four output FETs 135 to 138 connected to these circuits. Is done. The logic voltage-FET drive signal conversion circuits 131 and 132 are connected to one output of the PWM signal generation circuit 324 described above, and the logic voltage-FET drive signal conversion circuits 133 and 134 generate PWM signals. The other output of the circuit 324 is connected. Further, the logic voltage-FET drive signal conversion circuits 131, 133 turn on the FETs 135, 137 at the logic signal H level, and the logic voltage-FET drive signal conversion circuits 132, 134 at the logic signal L level. Signal conversion is performed so that the FETs 136 and 138 are turned on. Further, the FETs 135 and 136 are connected in series and a voltage of 150 V and 0 V is applied to both ends, and the FETs 137 and 138 are connected in series and a voltage of 150 V and 0 V is applied to both ends.
[0088]
The driver 325 configured as described above can be designed by diverting the driver for a reliable and proven sonar. The difference between the driver used in the embodiment of the present invention and that for sonar is that the load is different, the operating frequency is different, the continuous operation must be performed, so heat dissipation etc. should be considered, and the heat from the hot water This is a point to consider for temperature rise.
[0089]
Next, issuing an alarm in the embodiment of the present invention will be described. In the above description, the frequency abnormality and the amplitude abnormality have been described, but the issue of an alarm including these abnormalities will be described.
[0090]
When power is off
Pilot lamp does not light up. It is unused and does not issue a warning. If there is a customer who wants to issue an alarm when the power is turned off, it can be dealt with by a design change, for example, using a normal ON type relay.
[0091]
At the time of electric leakage
The power is cut off due to the operation of the earth leakage breaker. This can be expressed by the earth leakage display of the earth leakage breaker and the extinction of the pilot lamp. No alarm is issued by electric signal. If there is a customer who wants to issue an alarm due to the leakage breaker breaking, it can be dealt with by design change, and it can be dealt with by using a normal ON type relay as described above.
[0092]
Frequency abnormality
When the resonance point changes outside the specified frequency range due to erosion, loosening, piezoelectric element destruction, leakage, etc., an alarm is issued from the alarm lamp and alarm terminal.
[0093]
Amplitude abnormality
When changing outside the specified amplitude range due to erosion, loosening, piezoelectric element destruction, leakage, etc., an alarm is issued from the alarm lamp and alarm terminal.
[0094]
Alarm operation check
At each power-on, an alarm is issued to the alarm lamp and alarm terminal for 1 second.
[0095]
Alarm terminal specifications
Equipped with relay contact 3 terminals, an ON alarm set, and an OFF alarm set. The capacity of the voltage / current is set to AC 100 V, 1 A (capacity capable of lighting a light bulb).
[0096]
Maintenance operation method during alarm
In the embodiment of the present invention, the alarm signal is connected to the outside of the apparatus in parallel (ON alarm) or in series (OFF alarm) to sound or light the distribution panel or the maintenance device alarm device. The maintenance person can rush to the location of the device and identify an abnormal device by looking at an alarm lamp provided for each device. In addition, since a large number of sterilization cells are operated in parallel, the overall sterilization rate does not become zero even if one sterilization cell is stopped.
[0097]
A maintenance person such as a manufacturer may bypass the water by operating the valve, remove or replace the abnormal device, and then return the valve to its original state. Replacement after repair can be performed in the same way. The diverter and merger must be able to be plugged so that water does not leak even when the sterilization cell is removed, so that some of the sterilization cells can be repaired. Even if it is removed, the system can continue to operate with the remaining sterilization cells.
[0098]
The above-described embodiment of the present invention has been described on the assumption that control is performed by a digital circuit such as an FPGA. However, the present invention can perform an equivalent process using an inexpensive CPU, and an analog circuit. It is also possible to perform an equivalent process by.
[0099]
Although the present invention described above has been described with reference to an example of use for sterilization of circulating bath water for hot spring water, the present invention is also used for treatment of tap water, sludge treated water, and tanker ballast water. Furthermore, it can be applied to automatic frequency / amplitude control and alarm detection of ultrasonic processing machines (processing tools, medical ultrasonic scalpels, wire bonders, melted adhesive heaters).
[0100]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to perform automatic tracking and automatic amplitude control with respect to the ultrasonic frequency so that optimum cavitation occurs, and the resonance frequency changes due to the device itself being shaved. When the operating range is exceeded, an abnormality such as when there is no water can be notified, and an alarm can be issued when either the frequency or the amplitude deviates from the tracking range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a system configuration when a water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention is used for sterilization of a circulating bath.
2 is a diagram showing a configuration of a piping system in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a water treatment device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a detailed configuration of a frequency detection unit.
FIG. 5 is a diagram illustrating the principle of frequency detection.
FIG. 6 is a diagram showing an equivalent circuit of a drive transformer.
FIG. 7 is a block diagram showing a detailed configuration of an amplitude detection circuit.
FIG. 8 is a block diagram showing a detailed configuration of a frequency control unit, an amplitude control unit, a PLL, a timing generation circuit, and a PWM signal generation.
FIG. 9 is a diagram illustrating a PWM signal waveform used in the PWM signal generation circuit according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating an amplitude control method.
FIG. 11 is a diagram illustrating a situation of numerical values output from a 10-bit counter of a PWM signal generation circuit and waveforms output from two pulse generators.
FIG. 12 is a diagram for explaining a relationship between a control numerical value NA and an amplitude.
FIG. 13 is a block diagram illustrating a configuration of a driver.
[Explanation of symbols]
101 bathtub
102 Chlorine source
103 hair collector
104 pump
105 Filter
106 Piping system
107 Wiring system
108 Piping pipe
109-111 valve
112 shunt
113 Merger
114 Water treatment equipment
115 Heater
116 Yuan breaker
117 Alarm display device
201 Rainproof power terminal
202 Earth leakage breaker and power switch (SW)
203 Pilot lamp
204 Alarm lamp
205 Earth, alarm terminal
206 Bolt clamp
207 faucet
301 Sterilization cell
302 Drive transformer
303 Current detector
305 Comparator
306 Sample and hold circuit
309 Frequency control unit
312 Amplitude sensor
314 Amplitude detection circuit
317 Amplitude control unit
320 Alarm issuing section
321 Alarm terminal
322 clock source
323 PLL, timing generation circuit
324 PWM signal generation circuit
325 driver
326 Power circuit
327 Earth terminal
328 Frequency detector
330, 331 vibrator
332 Vibration Synthesizer
333 cylindrical container
334 Sterilization cylinder

Claims (8)

殺菌セルの振動子を駆動制御し、処理すべき水に超音波振動を与えて水中の細菌を殺菌する水処理方法において、振動子の振幅を検出すると共に、振動子に印加される信号の周波数を検出し、検出された振動子の振幅と、検出された信号の周波数に基づいて、前記振動子の振幅と振動周波数とを目標値となるように制御し、その際の前記振動子の振幅制御を、振幅の大きさに応じてお互いに対称な位相変化を持った1対のPWM信号を駆動トランスを介して振動子に与えることにより、振動の位相を変化させることなく振幅を制御するように行うことを特徴とする水処理方法。In a water treatment method for sterilizing bacteria in water by driving and controlling a vibrator of a sterilization cell and applying ultrasonic vibration to water to be treated, the amplitude of the vibrator is detected and the frequency of a signal applied to the vibrator , And based on the detected amplitude of the vibrator and the frequency of the detected signal, the amplitude and vibration frequency of the vibrator are controlled to become target values, and the amplitude of the vibrator at that time The amplitude is controlled without changing the phase of the vibration by applying a pair of PWM signals having phase changes symmetrical to each other to the vibrator through the drive transformer according to the magnitude of the amplitude. The water treatment method characterized by performing to. 前記目標とする振動子の振動周波数は、水温・流速・不純物の影響、キャビテーションの発生状況により変化する振動子を含む振動系の共振周波数であることを特徴とする請求項1記載の水処理方法。  2. The water treatment method according to claim 1, wherein the vibration frequency of the target vibrator is a resonance frequency of a vibration system including the vibrator that varies depending on the influence of water temperature, flow velocity, impurities, and the occurrence of cavitation. . 前記振動子に印加される信号の周波数の検出は、前記振動子に印加される信号の電圧に対する電流の位相を検出することにより行うことを特徴とする請求項1または2記載の水処理方法。  The water treatment method according to claim 1 or 2, wherein the frequency of the signal applied to the vibrator is detected by detecting a phase of a current with respect to a voltage of the signal applied to the vibrator. 前記振動子の振幅と振動周波数とに異常な大きさが検出されたとき警報を発することを特徴とする請求項1、2または3記載の水処理方法。The water treatment method according to claim 1, 2, or 3, wherein an alarm is issued when an abnormal magnitude is detected in the amplitude and vibration frequency of the vibrator . 殺菌セルの振動子を駆動制御し、処理すべき水に超音波振動を与えて水中の細菌を殺菌する水処理装置において、振動子の振幅を検出する手段と、振動子に印加される信号の周波数を検出する手段と、検出された振動子の振幅に基づいて、前記振動子の振幅を目標値となるように制御する制御手段と、検出された信号の周波数に基づいて、前記振動子の振動周波数を目標値となるように制御する制御手段とを備え、前記振動子の振幅制御手段は、振幅の大きさに応じてお互いに対称な位相変化を持った1対のPWM信号を発生するPWM信号発生手段と、前記1対のPWM信号を合成して前記振動子に与える駆動トランスとにより構成されることを特徴とする水処理装置。In a water treatment apparatus that drives and controls a vibrator of a sterilization cell and sterilizes bacteria in water by applying ultrasonic vibration to water to be treated, means for detecting the amplitude of the vibrator, and a signal applied to the vibrator A means for detecting a frequency, a control means for controlling the amplitude of the vibrator to be a target value based on the detected amplitude of the vibrator, and a frequency of the vibrator based on the frequency of the detected signal. Control means for controlling the vibration frequency to be a target value, and the amplitude control means of the vibrator generates a pair of PWM signals having phase changes symmetrical to each other according to the magnitude of the amplitude. A water treatment apparatus comprising: a PWM signal generating means; and a drive transformer that synthesizes the pair of PWM signals and applies them to the vibrator. 前記目標とする振動子の振動周波数は、水温・流速・不純物の影響、キャビテーションの発生状況により変化する振動子を含む振動系の共振周波数であることを特徴とする請求項5記載の水処理装置。6. The water treatment apparatus according to claim 5, wherein the target vibration frequency of the vibrator is a resonance frequency of a vibration system including a vibrator that varies depending on the influence of water temperature, flow velocity, impurities, and the occurrence of cavitation. . 前記振動子に印加される信号の周波数の検出手段は、前記振動子に印加される信号の電圧に対する電流の位相を検出する手段により構成されることを特徴とする請求項5または6記載の水処理装置。7. The water according to claim 5, wherein the means for detecting the frequency of the signal applied to the vibrator comprises means for detecting the phase of the current with respect to the voltage of the signal applied to the vibrator. Processing equipment. 前記振動子の振幅と振動周波数とに異常な大きさが検出されたとき警報を発する手段をさらに備えることを特徴とする請求項5、6または7記載の水処理装置。The water treatment apparatus according to claim 5, 6 or 7, further comprising means for issuing an alarm when an abnormal magnitude is detected in the amplitude and vibration frequency of the vibrator .
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