電磁管道抗垢裝置的功放及回饋電路關(guān)鍵技術(shù)

丁 金 華， 王 玉，彭 彥 平，孫 秋 花，王 輝，楊 振 國(guó)，韓 廣 鑫，張 波

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 遼寧 大連 116034;2.上海第二工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院， 上海 201209;3.大連錦騰科技開(kāi)發(fā)有限公司， 遼寧 大連 116031 )

0 引 言

工業(yè)生產(chǎn)中，水是最重要的熱交換介質(zhì)，結(jié)垢問(wèn)題是影響設(shè)備正常運(yùn)行的主要問(wèn)題之一[1]。同樣，輸油管道中的油氣等介質(zhì)里面含有H2S和CO2、多種離子、細(xì)菌以及泥沙等雜質(zhì)，故輸油管道也很容易結(jié)垢[2]。另外，污水處理管道，隨時(shí)間的增長(zhǎng)，也易在管道內(nèi)壁上形成水垢或其他污濁物附著在內(nèi)壁上。因此，管道內(nèi)壁腐蝕與結(jié)垢現(xiàn)象普遍存在。管道結(jié)垢使管道縮徑，流通截面積變小，造成壓力損失，排量減小及管道堵塞。管道結(jié)垢可能誘發(fā)管道局部腐蝕，導(dǎo)致管道漏失頻繁，甚至穿孔，造成破壞性事故或帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失。因管道結(jié)垢而進(jìn)行的除垢清理、更換維修管道、誤工的費(fèi)用巨大，所以對(duì)管道污垢的防止和去除是急需解決的一個(gè)問(wèn)題[3]。

1 防垢措施

目前，管道防垢主要有超聲波防垢[4]、機(jī)械去垢、管道酸洗、管道高壓水射流清洗[5]和電磁防垢[6]等方法。

超聲清洗技術(shù)的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于電子電器工業(yè)、光學(xué)光電工業(yè)、鐘表首飾工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、金屬制品工業(yè)、航天航空工業(yè)、制藥工業(yè)和醫(yī)療器械等的清洗[7]。多數(shù)超聲波清洗設(shè)備采用槽洗或在特制的容器內(nèi)清洗等形式，用于管道防垢器具有在線連續(xù)工作、自動(dòng)化程度高、工作性能可靠、無(wú)環(huán)境污染等[8]。然而，采用超聲波防垢器，需要成本較高的超聲波換能器，且所需要的功率較大。文獻(xiàn)[4]超聲波除垢研究表明，當(dāng)超聲波功率在100～200 W時(shí)具有抑垢作用；當(dāng)超聲波功率達(dá)200～600 W時(shí)具有除垢作用，其效果隨超聲波功率增加而增加。超聲波能量可隨介質(zhì)的流動(dòng)傳播，但其抑垢和除垢作用將隨介質(zhì)流動(dòng)方向改變而有所減弱。

機(jī)械去垢是通過(guò)機(jī)械方式清除管道結(jié)垢，如捅刷、吹氣、沖洗、反沖洗和刮管等方式。目前常采用清管器，如磁力清管器、釘輪清管器和刷輪清管器等[9]。機(jī)械去垢通常需要中斷設(shè)備運(yùn)行，并拆除部分管道和設(shè)備；對(duì)黏結(jié)性強(qiáng)的垢和腐蝕產(chǎn)物，除垢效果欠佳。由于清管器為直線運(yùn)動(dòng)，要清理干凈管內(nèi)垢層，一般需5～6遍，有時(shí)多達(dá)10遍，清管效率低，除垢工作比較費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，對(duì)彎管、變徑管和支管等還存在一定問(wèn)題。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，對(duì)人體沒(méi)有危害，也不需要特殊的勞動(dòng)保護(hù)。

化學(xué)除垢是根據(jù)垢層的化學(xué)成分，選用合適的堿類(lèi)或酸類(lèi)化學(xué)劑進(jìn)行溶解除垢，在施工過(guò)程中易損壞管線，污染環(huán)境，時(shí)間長(zhǎng)，成本高。管道酸洗屬化學(xué)除垢。

高壓水射流清洗是利用柱塞泵產(chǎn)生的高壓水經(jīng)過(guò)特殊噴嘴噴向垢層，除垢徹底，效率高，但是其裝機(jī)容量大，耗水多，存在水處理等問(wèn)題。

總之，化學(xué)處理方法使用的阻垢劑和除垢劑，根據(jù)水質(zhì)和環(huán)境的不同，需要有針對(duì)性地研制不同的化學(xué)配方，同時(shí)也會(huì)對(duì)設(shè)備和管線造成腐蝕，對(duì)環(huán)境造成污染，損害操作人員的健康，也需要投入大量的人工和藥劑費(fèi)用。電磁方法具有除垢和防垢的雙重功能，對(duì)于黏結(jié)性強(qiáng)的硬垢和腐蝕產(chǎn)物去除效果明顯，適用于多種類(lèi)型的管材，綠色、無(wú)化學(xué)污染，功耗較超聲法小(通常在1～30 W)，節(jié)省能源，不影響其他電子設(shè)備正常工作，具有安裝簡(jiǎn)便、無(wú)需拆卸管道、無(wú)需停工停產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。電磁方法是今后管道去垢的發(fā)展方向。

2 電磁抗垢防垢原理

對(duì)水進(jìn)行磁化處理的方法并非新技術(shù)，近年來(lái)各種磁化杯和磁化水裝置隨處可見(jiàn)，但對(duì)管道電磁去垢機(jī)理及效果仍屬熱點(diǎn)研究[3，10-14]。

英國(guó)Environment Treatment Concepts有限公司于1989年發(fā)明了電子除垢技術(shù)，隨后研制了ScaleWatcher Enigma電子水垢控制系統(tǒng)。采用了先進(jìn)的集成電路和信號(hào)處理技術(shù)，通過(guò)頻譜掃描確定最佳調(diào)制頻率，產(chǎn)生一種復(fù)雜頻率的調(diào)制信號(hào)，通過(guò)信號(hào)電纜將該調(diào)制信號(hào)加在管道上，在管道內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)分子力動(dòng)態(tài)干擾場(chǎng)(DDMF信號(hào)場(chǎng))，作用于管道中的流體和溶于其中的溶鹽分子，產(chǎn)生一種核化效應(yīng)。這種核化效應(yīng)會(huì)對(duì)流體中的帶電粒子產(chǎn)生交變的洛倫茲力，改變流體中溶鹽正負(fù)離子的電化學(xué)特性和物理特性，破壞流體中溶鹽正負(fù)離子之間的結(jié)合力，從而改變?nèi)茺}正負(fù)離子之間以及溶鹽分子與其他任何表面之間的黏附特性，阻止流體中的溶鹽沉積產(chǎn)生管垢。已在油田、石化、造紙等領(lǐng)域獲得較好的應(yīng)用[15]。

3 嵌入式音頻電磁共振管道抗垢裝置硬件原理

以上分析說(shuō)明，用于管道的電磁抗垢裝置不僅具有防垢、除垢、殺菌、滅藻的功能，也是一種綠色環(huán)保型產(chǎn)品。為此根據(jù)電磁防垢去垢的原理，研發(fā)了嵌入式音頻電磁共振管道抗垢裝置。裝置充分利用了嵌入式混合信號(hào)微處理器C8051F系列單片機(jī)的內(nèi)部功能，可編程計(jì)數(shù)陣列(PCA)和AD轉(zhuǎn)換功能，簡(jiǎn)化了硬件線路，具有較好的性?xún)r(jià)比。其原理框圖如圖1所示。

圖1 抗垢裝置原理框圖

裝置的常規(guī)部分包括按鍵、顯示、通訊、電源等單元和線性光耦回饋信號(hào)單元。功率放大單元是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，若要達(dá)到較好的抗垢防垢效果，需要有較好的功率輸出，還要防止負(fù)載短路(或因線圈過(guò)少，阻抗較低)引起功率放大單元損壞。文獻(xiàn)[1]采用了場(chǎng)效應(yīng)管作為功放輸出，并采取并聯(lián)形式，以產(chǎn)生足夠的電流，能夠滿足功率輸出和磁場(chǎng)強(qiáng)度的要求。但采用場(chǎng)效應(yīng)管作為功放電路，尚需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的負(fù)載短路保護(hù)電路防止功放電路的損壞。

3.1 功放電路

音頻電磁共振管道抗垢裝置選用音頻放大集成電路TDA2050。TDA2050是SGS-Thomson微電子公司32 W高保真音頻功率放大器，供電電壓可高達(dá)50 V，帶寬20 Hz～80 kHz，放大器內(nèi)部本身具有過(guò)熱保護(hù)電路和輸出短路保護(hù)電路。在功率、保護(hù)電路和帶寬方面，TDA2050比較符合抗垢防垢音頻電磁放大的要求。在功放電路設(shè)計(jì)上，沒(méi)有直接利用TDA2050常規(guī)的線性功率放大電路。常規(guī)線性放大電路，當(dāng)輸出功率較大時(shí)，芯片本身的功耗隨之增大，很難滿足較大功率的輸出要求。由于推動(dòng)負(fù)載電感線圈為方波信號(hào)，采用比較電路的形式也可滿足其功率輸出。功率輸出電路如圖2所示。TDA2050放大器工作時(shí)處于比較開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通時(shí)本身消耗較小的功率，截止時(shí)不消耗功率。相對(duì)于常用的線性放大電路，TDA2050放大器大大減少了芯片本身的損耗，同時(shí)又滿足了大功率輸出的要求。

圖2 采用TDA2050的功率輸出電路

工作原理：音頻交變信號(hào)(20 Hz～80 kHz)，送往圖2的VCO處，阻容網(wǎng)絡(luò)R1、C1以濾除高于80 kHz的干擾信號(hào)，R2、R3在TDA2050的同相端形成一合適的比較電壓，這樣TDA2050的引腳4就可以輸出足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載L的交變電流，此交變電流通過(guò)負(fù)載線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，作用在管中流體，達(dá)到抗垢防垢的目的。圖中的電阻R4作為峰值電壓回饋信號(hào)取樣電阻。

3.2 回饋峰值信號(hào)檢測(cè)

采用了線性光耦U3(HCNR201)實(shí)現(xiàn)隔離的回饋電壓峰值信號(hào)檢測(cè)，如圖3所示。D1、R4和C5組成負(fù)載上電壓峰值檢測(cè)電路。然后將信號(hào)通過(guò)電阻R5傳輸給線性光耦U3和運(yùn)放U1B。運(yùn)放U1B構(gòu)成負(fù)反饋放大電路，線性光耦U3中的一個(gè)光電接收二極管PD1接在該運(yùn)放的輸入端，完成對(duì)線性光耦中LED輸出光信號(hào)的檢測(cè)，并自動(dòng)調(diào)整通過(guò)LED的電流，以補(bǔ)償LED光強(qiáng)隨溫度變化引起的非線性，因此該反饋放大器主要用于穩(wěn)定LED的光輸出并使其線性化。線性光耦U3中的另一個(gè)接收二極管PD2，接在運(yùn)放U2A輸入端，構(gòu)成電流電壓轉(zhuǎn)換電路.并將轉(zhuǎn)換好的峰值電壓回饋信號(hào)送往微處理器的AD轉(zhuǎn)換引腳進(jìn)行采樣。

圖3 峰值回饋信號(hào)檢測(cè)電路

微處理器單元通過(guò)檢測(cè)負(fù)載線圈上的峰值電壓大小，調(diào)整輸出激勵(lì)信號(hào)的頻率，使裝置處于最佳的抗垢防垢狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于TDA音頻功率放大芯片，自成系列?？筛鶕?jù)輸出功率大小或帶寬來(lái)選用不同的芯片，如TDA2030的帶寬為10 Hz～140 kHz，以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)合。嵌入式音頻電磁共振管道抗垢裝置目前已在某污水處理廠試用，起到了一定的防垢去垢作用。

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