水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器的超聲波清洗裝置原理分析與設(shè)計(jì)

季鐵梅 ，田 華 ，韓 非 ，王 建 *

（1.上海市水文總站，上海 200232；2.上海無(wú)線(xiàn)電設(shè)備研究所，上海 200438；3.上海目標(biāo)識(shí)別與環(huán)境感知工程技術(shù)研究中心，上海 200438；4.上海神添實(shí)業(yè)有限公司，上海 200438）

1 引言

水質(zhì)分析傳感器在海洋環(huán)境及其他領(lǐng)域廣泛應(yīng)用中，由于所處環(huán)境介質(zhì)的不同，其水生物附著污染程度業(yè)也不相同[1]。目前使用的便攜式水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)儀AP-2000傳感器，多以玻璃作為測(cè)量電極，可增配一個(gè)ISE電極和一個(gè)光學(xué)探頭。諸多的清洗方法中有機(jī)械刷洗、水噴射清洗、特種清洗液噴射清洗和復(fù)合清洗。最簡(jiǎn)單的清洗方便就是人為手動(dòng)清洗，但是人工清洗有很多弊端，比如拆卸傳感器麻煩、容易損壞傳感器測(cè)量鏡面、測(cè)量作業(yè)暫時(shí)停止等[2]。本文基于清洗設(shè)備實(shí)際現(xiàn)狀，以高效、超聲波、清洗等為目標(biāo)對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研發(fā)，設(shè)計(jì)了能夠適應(yīng)長(zhǎng)江口水域水質(zhì)的一套設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明了所研發(fā)軟硬件系統(tǒng)的有效性。

2 超聲波清洗裝置原理分析

2.1 超聲波清洗的原理

人們所聽(tīng)到的聲音是頻率20～20000Hz的聲波信號(hào)，高于20000Hz的聲波稱(chēng)之為超聲波，聲波的傳遞依照正弦曲線(xiàn)縱向傳播，即一層強(qiáng)一層弱，依次傳遞，當(dāng)弱的聲波信號(hào)作用于液體中時(shí)，會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的負(fù)壓，使液體內(nèi)形成許許多多微小的氣泡，而當(dāng)強(qiáng)的聲波信號(hào)作用于液體時(shí)，則會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的正壓，因而，液體中形成的微小氣泡被壓碎[3]。經(jīng)研究證明[4]：超聲波作用于液體中時(shí)，液體中每個(gè)氣泡的破裂會(huì)產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)上千個(gè)大氣壓，這種現(xiàn)象被稱(chēng)之為“空化效應(yīng)”，超聲波清洗正是應(yīng)用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來(lái)達(dá)到清洗和沖刷設(shè)備表面的作用。

當(dāng)超聲波電源將50Hz的日常供電頻率改變?yōu)?8kHz后[5-6]，通過(guò)輸出電纜線(xiàn)將其輸送給粘接在盛放清洗溶液的清洗槽底部的超聲波發(fā)生器（換能器），由換能器將高頻的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)并發(fā)射至清洗液中，當(dāng)高頻的機(jī)械振動(dòng)傳播到液體里后，清洗液內(nèi)即產(chǎn)生上述空化現(xiàn)象，達(dá)到清洗的目的。由于超聲波的頻率很高，在液體中所產(chǎn)生的空化作用可以達(dá)到28000次/秒，在液體中由于空化現(xiàn)象所產(chǎn)生的氣泡數(shù)量眾多且無(wú)所不在，因此對(duì)于工件的清洗可以非常徹底。即使是形狀復(fù)雜的工件內(nèi)部，只要能夠接觸到溶液，就可以得到徹底的清洗，又因?yàn)槊總€(gè)氣泡的體積非常微小，因此雖然它們的破裂能量很高，但對(duì)于工件和液體來(lái)說(shuō)，不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械破壞和明顯的溫升[7-9]。

2.2 超聲波清洗設(shè)備的組成

（1）清洗槽：盛放待洗工件和清洗介質(zhì)，清洗槽一般由不銹鋼制成，可安裝加熱及控溫裝置。采用超聲波清洗，一般有化學(xué)清洗劑和水基清洗劑兩種清洗劑。清洗介質(zhì)是化學(xué)作用，而超聲波清洗是物理作用，兩種作用相結(jié)合，以對(duì)物體進(jìn)行充分、徹底的清洗。

（2）換能器：超聲波換能器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率（即超聲波）再傳遞出去，而自身消耗很少的一部分功率[10]。本系統(tǒng)中的超聲波換能器性能測(cè)試系統(tǒng)主要包括FPGA控制模塊、超聲波換能器激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)調(diào)理模塊。見(jiàn)圖1。

圖1 超聲波換能器系統(tǒng)原理圖

FPGA控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，控制系統(tǒng)的時(shí)序與各模塊的協(xié)調(diào)運(yùn)行?，F(xiàn)存兩種換能器，一種是磁力換能器[11]，由鎳或鎳合金制成；一種壓電換能器，由鋯鈦酸鉛或其他陶瓷制成。將壓電材料放入電壓變化的電場(chǎng)中時(shí)，它會(huì)發(fā)生變形，這就是所謂的“壓電效應(yīng)”。顯然磁力換能器和壓電換能器都是由能抵抗海水侵蝕的材料制成，所以進(jìn)行選擇時(shí)的考慮因素為其產(chǎn)生的空化效應(yīng)的強(qiáng)度。

信號(hào)發(fā)生器負(fù)責(zé)對(duì)固定時(shí)鐘信號(hào)分頻，產(chǎn)生與超聲波換能器諧振頻率相匹配的高頻信號(hào)。

信號(hào)調(diào)整模塊負(fù)責(zé)將超聲波的發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)化成易于測(cè)量的直流信號(hào)，并且進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

顯示器主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示換能器收發(fā)信號(hào)幅值、信號(hào)發(fā)生器所發(fā)出信號(hào)的頻率值及收斂發(fā)信號(hào)的幅值比。超聲波換能器在FPGA的主要負(fù)責(zé)完成激勵(lì)信號(hào)分頻、控制超聲波換能器的聲波首發(fā)時(shí)序、控制信號(hào)調(diào)理電路與A/D轉(zhuǎn)換模塊，對(duì)換能器收發(fā)信號(hào)分時(shí)調(diào)理、處理A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果并送液晶顯示屏。

（3）電源：為換能器提供所需電能（提供高頻率的電源）逆變電源，采用進(jìn)口IGBT元件，安裝過(guò)流保護(hù)線(xiàn)路[11-12]。

換能器將高頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能之后，會(huì)產(chǎn)生振幅極小的高頻震動(dòng)并傳播到清洗槽內(nèi)的溶液中，在換能器的作用下，清洗液的內(nèi)部將不斷地產(chǎn)生大量微小的氣泡并瞬間破裂，每個(gè)氣泡的破裂都會(huì)產(chǎn)生數(shù)百度的高溫和近千個(gè)大氣壓的沖擊波，從而將工件沖刷干凈。

2.3 超聲清洗方案

一般來(lái)說(shuō)：用于清洗的超聲波，其頻率應(yīng)在20kHz～80kHz之間。在進(jìn)行選配時(shí)，主要從以下方面考慮：

（1）頻率。超聲波頻率越低，在液體中產(chǎn)生空化越容易，作用也越強(qiáng)。頻率低噪音大，換能器的體積也偏大。超聲波頻率高則超聲波方向性強(qiáng)，適合于精細(xì)的物體清洗。在同一清洗條件不同清洗頻率下結(jié)果顯示，采用40kHz或80kHz的超聲波清洗在彎曲處有超聲波清洗損傷，但用170kHz或950kHz超聲波清洗工件檢查結(jié)果完好。高頻超聲波（80/120/170kHz）的應(yīng)用主要為：清除細(xì)微顆粒；在沖洗的過(guò)程中發(fā)揮清潔作用；減少空穴效應(yīng)侵蝕及減低表面損傷；一般用于精密零件清洗應(yīng)用；功率更加均勻分布清洗槽。

（2）功率。超聲波的功率密度越高，空化效果越強(qiáng)，速度越快，清洗效果越好。但對(duì)于精密的、表面光潔度甚高的物體，采用長(zhǎng)時(shí)間的高功率密度清洗會(huì)對(duì)物體表面產(chǎn)生“空化”腐蝕。

（3）超聲波強(qiáng)度。即單位面積的聲波功率。超聲去污的效果好壞取決于空化作用，而空化作用的產(chǎn)生與超聲波強(qiáng)度有關(guān)。通常情況下單位面積聲波功率超過(guò)0.3W/cm2（輸出電功率一般大于1W）水溶液就能產(chǎn)生空化效應(yīng)。在一定范圍內(nèi)，超聲波強(qiáng)度越大，空化作用越明顯，也就是說(shuō)去污效果越好。但太高的功率密度會(huì)由于空化作用太強(qiáng)而引起對(duì)部件的表面侵蝕使部件受損。另外當(dāng)功率密度增加到一定程度就會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，去污效果反而會(huì)下降。產(chǎn)生空化的功率密度臨界點(diǎn)與頻率還有關(guān)系，頻率越高產(chǎn)生空化的功率密度越大，在20kHz時(shí)，功率密度臨界點(diǎn)大約為0.3～0.4W/cm2。

（4）工作溫度。超聲波在30℃～40℃時(shí)空化效果最好。清洗劑則溫度越高，作用越顯著。通常實(shí)際應(yīng)用超聲波清洗時(shí)，采用40℃～50℃的工作溫度。

3 超聲波清洗裝置設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)

連接方式：浮子（1）和連接件（12）用螺紋連接（浮子（1）的內(nèi)孔有外螺紋、連接件（12）的外螺紋）。小高壓泵（11）有一個(gè)進(jìn)水嘴和出水嘴，進(jìn)水嘴通過(guò)進(jìn)水管和過(guò)濾石（6）連接在一起。吸水管（2）出水管（3）是軟性硅膠，無(wú)毒，不與海水發(fā)生反應(yīng)。防碰撞罩（4）有316L不銹鋼焊接而成，表面多空，方便海水與傳感器充分接觸，同時(shí)還能隔絕較大的貝類(lèi)附著在傳感器上，簡(jiǎn)介保護(hù)傳感器。感器1（5）和傳感器2（8）傳感器3（9）是不同的傳感器測(cè)量不同的水質(zhì)參數(shù)。過(guò)濾石（6）酥松多孔，對(duì)懸沙濃度大的海水的過(guò)濾作用比較好，高壓扇形噴嘴（7）通過(guò)出水管和小高壓泵（11）連接，高壓泵泵出的高壓海水，通過(guò)噴嘴噴出，清潔傳感器的噴頭，防止海水中的貝類(lèi)和藻類(lèi)等附著物在傳感器探頭上的生長(zhǎng)。傳感器支架（10）有五個(gè)部分組成（頂部卡盤(pán)（1）底部碰嘴安裝件（2）立柱（3）傳感器固定板（4）橡皮圈（5））頂部卡盤(pán)和防碰撞罩通過(guò)螺釘固定，底部碰嘴安裝件通過(guò)螺母固定高壓碰嘴，立柱焊接在傳感器固定板和底部碰嘴安裝件上，和頂部卡盤(pán)通過(guò)螺紋連接，橡皮圈把不銹鋼和傳感器連接線(xiàn)隔絕開(kāi)，保護(hù)電線(xiàn)。線(xiàn)束（13）把電機(jī)和傳感器及浮體的連接線(xiàn)和固定繩包裹在一起。

圖2 清洗裝置的剖視圖

3.2 工作過(guò)程

把整個(gè)裝置放在測(cè)試井里，接通電源，固定好連接線(xiàn)?？刂茊卧刂齐姍C(jī)工作，海水經(jīng)過(guò)過(guò)濾石（6）起到簡(jiǎn)單的過(guò)濾，在進(jìn)過(guò)吸水管（2）進(jìn)給小高壓泵（11）的容艙內(nèi)，行成高壓海水，在經(jīng)過(guò)出水管（3）從高壓扇形噴嘴（7）噴出，高壓水有很強(qiáng)的沖擊力，會(huì)使附著在傳感器探頭上的附著物沖擊下來(lái)。從而起到清潔的作用。不同的工作環(huán)境，通過(guò)控制單元控制電機(jī)的開(kāi)啟頻率和工作時(shí)間，達(dá)到最好的清洗效果。

圖3 防碰撞罩

圖4 傳感器及傳感器支架

利用超聲波空化效應(yīng)的原理，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備防治海生物的應(yīng)用中是一個(gè)很好的選擇，顯示出了以下優(yōu)勢(shì)：

（1）一舉兩得：超聲波空化效應(yīng)既可以去除海水濾器即管壁的海生物附著物，還可以殺死海生物及其幼體，其他任何方法都無(wú)法達(dá)到這樣的效果。

（2）高效：根據(jù)超聲波清洗技術(shù)的廣泛應(yīng)用及其實(shí)際效果，超聲波空化效應(yīng)在設(shè)備防海生物的應(yīng)用也具有相同的效果，同時(shí)超聲波的傳遞不受空間形狀的限制，不存在死角和盲點(diǎn)，只要在超聲波波及范圍內(nèi)和與海水接觸的任何表面，空化效應(yīng)均能發(fā)揮作用。

（3）低成本：超聲波裝置在現(xiàn)今屬于比較成熟的應(yīng)用技術(shù)，造價(jià)很低，同時(shí)操作成本也很低。（4）維護(hù)簡(jiǎn)單：超聲波信號(hào)發(fā)生器以及換能器基本上屬于免維護(hù)設(shè)備，可以適用于各種工作環(huán)境；同時(shí)由于聲頭布置在海水濾器的蓋板上，即使損壞，也可以將該海水濾器進(jìn)行隔離，拆下海水濾器蓋板，對(duì)聲頭進(jìn)行更換。因此安裝拆卸都非常方便，不會(huì)影響生產(chǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

超聲波清洗方式超過(guò)一般以往的常規(guī)清洗方法，特別是工件的表面比較復(fù)雜，像一些表面凹凸不平，有盲孔的機(jī)械零部件，一些特別小而對(duì)清潔度有較高要求的產(chǎn)品如：鐘表和緊密機(jī)械的零件，電子元器件，電路板組件等，使用超聲波清洗都能達(dá)到很理想的效果。超聲波清洗的原理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號(hào)，通過(guò)換能器轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振蕩而傳播到介質(zhì)—清洗溶劑中，超聲波清洗液中疏密相同的向前輻射，使液體流動(dòng)而產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微小氣泡。這些氣泡在超聲波縱向傳播的負(fù)壓區(qū)形成、生長(zhǎng)，而在正壓區(qū)迅速閉合。在這種稱(chēng)為“空化”效應(yīng)的過(guò)程中，氣泡閉合可形成超過(guò)1000個(gè)大氣壓的瞬間高壓，連續(xù)不斷地產(chǎn)生瞬間高壓就像一連串小“爆炸”不斷地沖擊物件表面，使物件的表面及縫隙中的污垢迅速剝落，從而達(dá)到物件表面凈化的目的。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用常規(guī)的滾刷清洗、高壓水沖洗、超聲波清洗和人工清洗四種方法進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)效果如表1所示：

表1 四種清洗效果對(duì)照表

超聲波清洗在清洗金屬等這類(lèi)硬質(zhì)的零件有著理想的清洗效果，因?yàn)閭鞲衅鞅砻娴臒o(wú)損生物附著具有不規(guī)則性，用常規(guī)方法我們無(wú)法接觸到，超聲波不受限制，可以傳到縫隙深處，而且也不會(huì)損傷物體表面，是非常實(shí)用的。其清洗主要具有以下特點(diǎn)：清洗效果好，清潔度高且全部工件清潔度一致；清洗速度快，提高生產(chǎn)效率，不須人手接觸清洗液，安全可靠；對(duì)深孔處、細(xì)縫和工件隱蔽處亦可清洗干凈；對(duì)傳感器表面無(wú)損傷，節(jié)省溶劑、熱能、工作場(chǎng)地和人工。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)水質(zhì)傳感器在工作中的精度要求，并且結(jié)合了在長(zhǎng)江口水域特殊的水文情況，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了包括傳感器防護(hù)罩殼、控制器、高壓泵、高壓清洗噴嘴等一套清洗模塊，在蘆潮港水文測(cè)站進(jìn)行了試用，對(duì)傳感器附作物的清洗中較傳統(tǒng)清洗方法有明顯的優(yōu)勢(shì)，且節(jié)省了人力、物力資源。

本文研制的清洗裝備有望在“長(zhǎng)江口環(huán)境測(cè)站” 工程中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，將有效解決長(zhǎng)江口測(cè)站，尤其是無(wú)人值守測(cè)站傳感器自維護(hù)問(wèn)題。■