基于頻率跟蹤的超聲波水處理技術(shù)研究

胡經(jīng)緯 張 杰

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 安徽合肥 230012）

超聲波水處理適應(yīng)條件廣泛，應(yīng)用在一般的管道水處理中只需普通交流電源即可，并且頻率跟蹤系統(tǒng)可以根據(jù)不同水質(zhì)的特點(diǎn)調(diào)節(jié)諧振頻率。本文提出的超聲波水處理方法是一種可以適應(yīng)于各種的水質(zhì)環(huán)境，且能夠根據(jù)水質(zhì)變化自行調(diào)整電磁頻率以達(dá)到最佳效果的空化水處理方法，能夠較為有效達(dá)到去垢，防污、防腐、水質(zhì)凈化的目的。

一、超聲波水處理技術(shù)除垢機(jī)理

（一）超聲波對(duì)介質(zhì)的作用。波可以在不同的介質(zhì)中進(jìn)行傳遞，由于波的傳遞質(zhì)點(diǎn)會(huì)相應(yīng)的做機(jī)械振動(dòng)，超聲波換能器所發(fā)出的超聲波將會(huì)使得質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生較強(qiáng)的作用力且該作用力的方向是單方向的，這種作用力改變了水垢晶體分子鏈的排列狀況，這樣，水垢晶體分子鏈流變性發(fā)生了改變。超聲波對(duì)介質(zhì)的具體作用機(jī)理如下：

聲流作用：超聲波換能器所發(fā)出的超聲波在水體中傳遞的過程中由于介質(zhì)吸收了超聲波的動(dòng)量和動(dòng)能，管道中的水體將會(huì)做不規(guī)則性流動(dòng)，水體這樣不規(guī)則性的流動(dòng)就形成聲流。聲流一般情況下具有一種能夠使得水體產(chǎn)生強(qiáng)烈流動(dòng)的性質(zhì)，這種性質(zhì)在物理學(xué)上稱之為渦旋性質(zhì)，這種渦旋性質(zhì)可以使水垢的流變性發(fā)生變化。

解聚作用：超聲波換能器所發(fā)出的超聲波達(dá)到一定的強(qiáng)度時(shí)會(huì)使得高分子化合物的獲得較大的加速度，從而形成分子與分子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于分子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得分子鍵破裂，從而大分子被分解成若干小分子，這就是解聚作用。管道中水體在超聲波空化作用下，解聚作用最為明顯。

空化作用：超聲波換能器發(fā)出的超聲波傳遞到管道中的水體使得水體中不斷的產(chǎn)生氣泡，這些氣泡又不斷的破滅，這種氣泡產(chǎn)生與破滅的過程稱之為空化作用。在水體中，一般情況下存在著很多微小氣泡，當(dāng)超聲波換能器發(fā)出的超聲波傳遞到水體時(shí)那些氣泡將會(huì)做伸張運(yùn)動(dòng)，聲波達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)聲場(chǎng)中的拉伸力使氣泡膨脹，最終使氣泡破裂，這種過程使得氣泡局部溫度迅速上升，有時(shí)可以達(dá)到上千度并能產(chǎn)生高壓（其壓強(qiáng)值可達(dá)千個(gè)大氣壓），其對(duì)周圍水體產(chǎn)生聲波作用，這種作用叫做空化作用，圖1為空化效應(yīng)。

圖1 超聲波換能器的空化效應(yīng)

熱作用：在超聲波的作用下傳播介質(zhì)（水體、水垢、管道壁）內(nèi)部會(huì)吸收超聲波的能量，這樣導(dǎo)致了水體、水垢、管道壁的邊界處的相互摩擦作用，這種方式和空化作用所釋放出的熱量是熱作用能量的最為主要的來源。此外，超聲波的諧振頻率越高，吸收熱效果就越好，分界處的摩擦強(qiáng)度就越大，熱作用效果也越明顯[1]。

（二）除垢機(jī)理。超聲波除垢的作用機(jī)理為：讓一定強(qiáng)度的超聲波通過水體，誘發(fā)聲空化，其效果主要為熱分解、自由基氧化及等離子氧化與高級(jí)氧化，使得有機(jī)物雜質(zhì)直接分解和降解。

超聲波水處理系統(tǒng)其實(shí)是由高頻脈沖源和電磁-水能量轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過電磁波向換能器中釋放電磁場(chǎng)能量，再由換能器的換能作用釋放出超聲波來完成超聲波水處理系統(tǒng)的水處理效果。當(dāng)主電路向換能器體釋放不同形式的電磁波時(shí)會(huì)有不同的水處理效果，只有當(dāng)此電磁波作正弦變換時(shí)水處理效果最佳，而此時(shí)換能器（串聯(lián)電路）正好處于諧振狀態(tài)。

將超聲波換能器等效為串聯(lián)RLC電路，當(dāng)換能器（串聯(lián)RLC電路）發(fā)生諧振時(shí)等效電路的電磁能經(jīng)換能作用后最大限度的轉(zhuǎn)化成超聲波，由超聲波作用于水體后水體空化所產(chǎn)生的氣泡滲透水垢層與管道內(nèi)壁表面之間的小空隙，這種空化后的水體氣泡不停地?cái)U(kuò)張、收縮，不間斷的與水垢層接觸、相互作用，這樣使得水垢層一層層的被分離出來，最終使得整個(gè)水垢層被分離出來。上述過程如圖2所示，此過程也叫做空化二次效應(yīng)[2]。

圖2 空化二次效應(yīng)

超聲波換能器發(fā)出的超聲波傳遞到管道中的水體后水體發(fā)生空化作用，這樣使得被處理水體中產(chǎn)生了大量泡沫，這些水體小氣泡不斷地產(chǎn)生和破裂。實(shí)驗(yàn)證明這些不斷地產(chǎn)生和破裂的小氣泡具有分離水垢讓其被分離成為若干微小的水垢粒子的功能。實(shí)驗(yàn)中，選取固有頻率為300kHz的超聲波換能器并讓其工作在最佳頻率（固有頻率）狀態(tài)時(shí)，1mL的水能夠生成150000～250000個(gè)氣泡，當(dāng)這些不斷生成的氣泡迅速破裂時(shí)，其最大壓力值可以達(dá)到上萬個(gè)大氣壓。

超聲波換能器發(fā)出的超聲波除了具有空化水體使得水體的活性提高的作用以外還可以提高水垢物質(zhì)的分子活性。經(jīng)過研究表明未經(jīng)處理水垢晶體是四方晶體，而經(jīng)過超聲波處理后的水垢晶體變成了不規(guī)則晶體且體積也縮小了很多，為超聲波作用前的1/100至1/10000。綜上可以看出，超聲波換能器發(fā)出的超聲波可以改變水垢晶形狀和體積大小，從而改善了水垢晶體分子流變性。超聲波換能器發(fā)出的超聲波在水管中不同介質(zhì)（水體、垢體晶體與管道內(nèi)壁）中的傳播速率是不相等的，從而形成傳播速度差，這種傳播速度差形成一種力的作用，我們稱為剪切力，在這種力的作用下使得管道管壁上的水垢松動(dòng)最終使得水垢從管道壁上分離出來。

二、超聲波水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

（一）超聲波水處理系統(tǒng)。超聲波水處理系統(tǒng)是由全橋逆變電路輸出的高頻脈沖源和換能器所構(gòu)成，全橋逆變器產(chǎn)生高頻振蕩的電磁場(chǎng)能量，利用超聲波換能器將電磁能量轉(zhuǎn)化成超聲波傳遞到管道中的水體。超聲波水處理裝置的水處理效果是通過超聲波換能器向水中釋放振蕩的機(jī)械能而達(dá)到的。超聲波水處理系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖3所示，在圖3中，圖標(biāo)1為36V直流電源，圖標(biāo)2為全橋逆變電路（控制器），圖標(biāo)3為水管，圖標(biāo)4為超聲波換能器，圖標(biāo)5為接線。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

在超聲波水處理器中水管的外壁上放置超聲波換能器，由于超聲波換能器是將電磁能量轉(zhuǎn)換成水體機(jī)械能的器件，所以也將超聲波換能器稱作電磁-水能量轉(zhuǎn)換器。換能器既是電磁水能量轉(zhuǎn)換器上電磁能量的發(fā)射器，又是把電磁能量轉(zhuǎn)換成超聲波后發(fā)射超聲波的發(fā)射器。

（二）超聲波水處理系統(tǒng)分析。超聲波水處理系統(tǒng)各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)框如圖4所示。超聲波換能器是整個(gè)水處理系統(tǒng)的中樞部分。由信號(hào)放大電路連接到主電路（全橋逆變電路），再由主電路產(chǎn)生的高頻雙極性脈沖饋入超聲波換能器，換能器產(chǎn)生超聲波；電流檢測(cè)單元用以檢測(cè)流過換能器的電流。TMS320F2812作為高頻信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生高頻信號(hào)源，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大電路的放大作用后將信號(hào)傳送到主電路（全橋逆變電路）用于控制場(chǎng)效應(yīng)管的開通和關(guān)斷。由主電路產(chǎn)生電磁脈沖通入超聲波換能器后發(fā)出的超聲波對(duì)水體進(jìn)行處理，該電路主要由換能器、和MOSFET構(gòu)成。由互感器（電流檢測(cè)單元）對(duì)流過超聲波換能器的電流進(jìn)行檢測(cè)，換能器電流的大小變化方向能夠體現(xiàn)出其最佳頻率的變化方向，再由高頻信號(hào)發(fā)生電路及時(shí)的調(diào)整信號(hào)的頻率，該單元包括電流檢測(cè)單元、信號(hào)放大和信號(hào)處理單元，從而達(dá)到對(duì)超聲波換能器最佳頻率（固有頻率）跟蹤的效果。

圖4 超聲波水處理結(jié)構(gòu)圖

（三）超聲換能器。超聲波換能器是一種轉(zhuǎn)換物理能量的器件，顧名思義其是將頻率超過聲音頻率的電磁能量通過某種方式轉(zhuǎn)換成同頻率的機(jī)械振動(dòng)能量，這種轉(zhuǎn)換而成的機(jī)械振動(dòng)能量就是超聲波，圖5為超聲換能器實(shí)物圖。本文所選用的是壓電超聲波換能器，這種換能器可以通過壓電效應(yīng)將電磁超聲頻能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)能量，如果我們將超聲波換能器兩端加上加上交流脈沖電壓就可以發(fā)出相同頻率的機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)所加電壓頻率正好和壓電超聲波換能器的最佳頻率相等時(shí)，換能器所產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)（超聲波）最強(qiáng)烈，而此時(shí)超聲波換能器正處于壓電諧振狀態(tài)[3]。超聲波換能器等效電路如圖6所示，當(dāng)超聲波換能器兩端所加的交流脈沖電壓的頻率等于其最佳頻率時(shí)它所發(fā)出的超聲波振動(dòng)幅度最大，但是當(dāng)換能器工作于最佳頻率時(shí)換能器器件本身的溫度會(huì)迅速上升就會(huì)使得換能器的電氣參數(shù)發(fā)生變化，這導(dǎo)致了換能器最佳頻率（固有頻率）的偏移，這種現(xiàn)象叫做換能器固有頻率漂移（溫飄）。本文的主要任務(wù)就是通過軟件控制的方式實(shí)現(xiàn)超聲波換能器最佳頻率（固有頻率）的自動(dòng)跟蹤。

圖5 換能器實(shí)物圖

圖6 等效電路

根據(jù)圖6等效電路中，靜態(tài)阻抗稱之為Z0，動(dòng)態(tài)阻抗稱之為Zm。

可得：

（四）超聲波換能器阻抗匹配電路。超聲波換能器阻抗匹配的好壞決定了其功率效率的高低，也決定了其穩(wěn)定性的好壞，超聲波換能器的阻抗匹配主要包括一下三個(gè)方面：阻抗變換、調(diào)諧和整形濾波。

阻抗變換：通過最大傳輸功率定理我們可以知道電源（主電路）阻抗與負(fù)載阻抗相同時(shí)，負(fù)載才可以得到最大傳輸功率，同樣的道理，為了使超聲波換能器獲得最大的傳輸功率，我們就要讓電源（主電路）的阻抗等于超聲波換能器（此時(shí)換能器處于最佳頻率工作狀態(tài)）的阻抗。

調(diào)諧：我們知道當(dāng)RLC串聯(lián)電路處于諧振頻率運(yùn)行時(shí)電抗（電容和電感之和）等于0，動(dòng)態(tài)阻抗等于Zm=R1+，然而靜態(tài)阻抗（電容C0）不等于0，所以當(dāng)超聲波換能器工作于最佳頻率（固有頻率）時(shí)其呈現(xiàn)的電路為容性，如果不對(duì)主電路中和超聲波換能器調(diào)諧的話，將會(huì)有大量的無功損耗，這就讓超聲波換能器接受主電路功率的效率降低。所以我們應(yīng)該采取一些方法對(duì)超聲波換能器的容性阻抗補(bǔ)償，常被用作補(bǔ)償容性阻抗的方法有串聯(lián)和并聯(lián)電感。

整形濾波：當(dāng)超聲波換能器工作于最佳工作頻率（固有頻率）的時(shí)候，由于換能器的最佳頻率是一個(gè)高頻信號(hào)，所以超聲波換能器所接受的電信號(hào)也必定是高頻信號(hào)，也就是說主電路所發(fā)出的交流脈沖信號(hào)的頻率很高。而由于主電路發(fā)出的電信號(hào)頻率很高，所以一定含有大量的諧波分量。我們有必要通過匹配電路來過濾掉高次諧波[4]。本文選用串聯(lián)電感-并聯(lián)電容匹配方式，采用串聯(lián)電感-并電容匹配電路，具備電容匹配時(shí)的良好變阻性，濾波效果良好。采用串電感-并聯(lián)電容匹配方式可以將圖6等效成為圖7。

圖7 串電感-并電容匹配等效電路

由圖7可得：

圖8為經(jīng)過串電感-并電容匹配后超聲波換能器的電路。

圖8 超聲波換能器的等效電路圖

（五）超聲波水處理器主電路。諧振主電路一般采用推挽電路或全橋逆變電路。推挽電路將正弦信號(hào)放大后饋入超聲波換能器使其產(chǎn)生諧振狀態(tài)，然而推挽電路對(duì)溫度特別敏感，導(dǎo)致工作點(diǎn)難以穩(wěn)定，從而導(dǎo)致輸出波形失真。相對(duì)于推挽電路而言，全橋逆變電路的穩(wěn)定性比較好，并且在相同的條件下全橋逆變電路的輸出功率的效率要比推挽電路高百分之三十左右。針對(duì)主電路輸出對(duì)象（超聲波換能器）諧振狀態(tài)下對(duì)溫度敏感等特點(diǎn)，本文選擇用全橋逆變電路作為超聲波水處理器的主電路[5]。

圖9為串聯(lián)諧振電路式變換器原理圖；（忽略開關(guān)導(dǎo)通電阻與電感電阻）

圖9 串聯(lián)諧振變換器原理圖

在全橋變換器中，以PWM進(jìn)行控制時(shí)，對(duì)角的兩只開關(guān)管Q1Q4、Q2Q3一同通斷，Q1Q4與Q2Q3也為1800互補(bǔ)導(dǎo)通。Q1Q4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，VAB=Vin，Q2Q3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，VAB=-Vin，所以VAB是幅值等于Vin、脈寬等于1800寬的交流方波。

u0展開式為：

其基波幅值U01m為：

（六）信號(hào)處理器。超聲波水處理器的特點(diǎn)是可以通過TMS320F2812 DSP芯片輸出頻率可以調(diào)節(jié)的PWM波，再將經(jīng)過放大作用后將PWM波輸入給超聲波換能器，達(dá)到去除水垢的效果。然而如何實(shí)現(xiàn)TMS320F2812 DSP芯片輸出頻率的自動(dòng)調(diào)節(jié)是最為重要的部分，由霍爾傳感器實(shí)時(shí)并準(zhǔn)確檢測(cè)換能器中諧振電流的變化來實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，也就是說由霍爾傳感器檢測(cè)換能器的電流來反饋的超聲波換能器的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)以此來調(diào)節(jié)TMS320F2812 DSP芯片輸出PWM波的頻率。在TMS320F2812 DSP芯片剛開始運(yùn)行時(shí)，由芯片輸出300kH頻率的占空比40%帶死區(qū)的2組PWM波，并對(duì)諧振后的電流（電壓）幅值進(jìn)行檢測(cè)，由于諧振狀態(tài)下電流（電壓）值最大，因此經(jīng)過不停的反饋比較，并通過調(diào)節(jié)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)使之輸出電壓幅值達(dá)到最大值的脈沖頻率，從而使系統(tǒng)按照此頻率輸出穩(wěn)定的PWM脈沖，以便使得系統(tǒng)的輸出電壓值達(dá)到理想目標(biāo)[6]。

高頻信號(hào)發(fā)生器是超聲波水處理裝置的非常重要的一部分，它決定了系統(tǒng)最后輸出的頻率大小，該發(fā)生器要根據(jù)電流檢測(cè)單元反饋回來的信號(hào)來控制輸出合適的頻率。根據(jù)本文的設(shè)計(jì)要求，高頻信號(hào)發(fā)生器要滿足150kHz～2MHz頻率的范圍內(nèi)可以實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)。TMS320F2812具有高性能的內(nèi)核與強(qiáng)大的片內(nèi)I/O與外設(shè)功能，它的事件管理器模塊擁有產(chǎn)生PWM波的多種硬件資源。事件管理器功能框圖如圖10。

圖10 事件管理器的PWM功能框圖

經(jīng)TMS320F2812用戶手冊(cè)可知：

根據(jù)公式（1）、（2）、（3），設(shè)置相關(guān)寄存器，使定時(shí)器比較輸出，并經(jīng)過設(shè)置死區(qū)單元為互補(bǔ)的一對(duì)PWM波設(shè)置死區(qū)，所設(shè)置引腳的引腳就會(huì)輸出互補(bǔ)帶死區(qū)的一對(duì)PWM波形。本文以TMS320F2812事件管理器模塊產(chǎn)生脈沖波作為主電路4個(gè)MOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。為了驅(qū)動(dòng)MOS管構(gòu)成諧振電路，必須保證4個(gè)MOS管能夠順利的對(duì)臂開通與關(guān)斷，高頻PWM信號(hào)必須互補(bǔ)輸出，為了保護(hù)MOS管所以設(shè)置了死區(qū)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置高頻信號(hào)源的初始頻率設(shè)置300K，因此設(shè)置T1PR的初始值為125，T1CMPR的值為0.4倍的T1PR，并將T1PR定義為全局變量，DSP通過處理電流檢測(cè)單元采集的信號(hào)來改變T1PR的值來控制調(diào)節(jié)脈沖的頻率[7]。實(shí)驗(yàn)波形如圖11所示。

圖11 信號(hào)源輸出互補(bǔ)帶死區(qū)的高頻PWM波形

圖11所示波形為TMS320F2812產(chǎn)生的一對(duì)互補(bǔ)PWM波，滿足初始頻率設(shè)定的300KHz要求，占空比為40%并帶死區(qū)，通過驅(qū)動(dòng)放大電路能夠保證4個(gè)MOS管能夠順利的對(duì)臂開通與關(guān)斷。

（七）電流檢測(cè)單元。在超聲波水處理的測(cè)控系統(tǒng)中，霍爾傳感器作為前端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，DSP主要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的采集和處理，通過控制高頻脈沖信號(hào)產(chǎn)生單元脈的沖頻率來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)超聲波水處理的測(cè)控系統(tǒng)[8]。

三、頻率跟蹤的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)換能器工作于最佳頻率時(shí)換能器器件本身的溫度會(huì)迅速上升就會(huì)使得換能器的電氣參數(shù)發(fā)生變化，這就會(huì)導(dǎo)致?lián)Q能器最佳頻率（固有頻率）的偏移，這種現(xiàn)象叫做換能器固有頻率漂移（溫漂），從而超聲波換能器上的電流隨之發(fā)生變化，利用霍爾傳感器和信號(hào)處理系統(tǒng)來判斷電流是有沒有達(dá)到最大值從而判定主電路中的換能器是否產(chǎn)生了諧振，通過信號(hào)處理器對(duì)換能器的電流進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)出的高f0頻信號(hào)，具體分析過程如下：讓信號(hào)處理器初始系統(tǒng)的輸出信號(hào)頻率為f0，信號(hào)處理器存儲(chǔ)初始換能器的電流信號(hào)i0，減小（或增大）TMS320F2812芯片的輸出頻率使得f=f0+f1，f1是TMS320F2812芯片的輸出信號(hào)頻率的增量，電流檢測(cè)模塊檢測(cè)當(dāng)前換能器的電流大小i1，如果i1大于i0，那么就接著減?。ɑ蛟龃螅㏕MS320F2812芯片輸出信號(hào)的頻率f；而如果i1小于i0，那么就增大（或減?。㏕MS320F2812芯片的輸出信號(hào)頻率f，最終時(shí)期達(dá)到平衡狀態(tài)。如圖12是頻率實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的流程圖，利用這段程序來完成上述的頻率自動(dòng)跟蹤[9]。

圖12 頻率實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)流程圖

四、實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的超聲波水處理器的實(shí)際使用效果，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)，并且對(duì)于最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了較為詳盡的分析。具體的實(shí)驗(yàn)過程介紹如下。

（一）實(shí)驗(yàn)原理及過程。在超聲波水處理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，利用在輸水管道嵌入超聲波換能器的方式來對(duì)水體處理。由于管道內(nèi)壁上結(jié)垢和鐵銹的分解與脫落，由此導(dǎo)致了水體中金屬離子濃度大幅度的上升，從而使得水體顏色加深，而且水體電導(dǎo)率也大幅度上升。因此能夠利用對(duì)經(jīng)超聲波換能器處理后的水體的電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)試比較并觀察水體顏色的深淺對(duì)比來檢驗(yàn)超聲波水處理器的去垢除銹效果。在除銹的過程中，隨著老銹不斷的脫落，輸水管道壁上會(huì)逐漸生成一層較為致密的四氧化三鐵膜，而此膜能夠達(dá)到很好的阻銹防垢的效果，利用對(duì)處理后的管道壁觀察的結(jié)果，也可以詳細(xì)的分析防垢防銹效果。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。選取如下裝置：取幾段結(jié)垢、生銹較為嚴(yán)重的輸水管道，裝滿池塘里自然水，動(dòng)用電氣焊，將原管道以換能器短管長度切割下來，在兩個(gè)切口處分貝焊接一個(gè)法蘭，將超聲波換能器與原管道的法蘭聯(lián)結(jié)。圖13為實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖，設(shè)置甲組、乙組、丙組對(duì)比用以分析實(shí)驗(yàn)效果。

圖13 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖

給予三個(gè)試驗(yàn)組完全相同的溫度濕度等條件。第一組，甲組，將甲組置于具有自動(dòng)頻率跟蹤功能的超聲波水處理方式下進(jìn)行除垢實(shí)驗(yàn)；第二組，乙組，將乙組置于沒有自動(dòng)頻率跟蹤功能（輸出單一頻率PWM波）的超聲波水處理方式下進(jìn)行除垢實(shí)驗(yàn)，丙組是實(shí)驗(yàn)對(duì)照組而無需作任何處理，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后對(duì)甲、乙、丙三組管道內(nèi)的水體進(jìn)行電導(dǎo)率的測(cè)量。經(jīng)過7次對(duì)比實(shí)驗(yàn)后，記錄它們導(dǎo)電率并仔細(xì)完成觀察記錄。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程結(jié)束之后我們通利用記錄下來的數(shù)據(jù)的對(duì)比來測(cè)試超聲波水處理系統(tǒng)的去垢阻銹的效果[10]。

（1）依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后記錄數(shù)據(jù)的對(duì)比，推理除垢的效果。

（2）從甲組、乙組以及丙組中提取出等量的水體樣品，觀察它們顏色深淺度的大小，然后定性比較分析去垢阻銹的效果。

（3）觀測(cè)甲組、乙組以及丙組中的輸水管道內(nèi)壁，看看有沒有一層致密的顏色很深的Fe3O4或一層淡綠色的水藻附著于其上。

36V直流電源經(jīng)全橋逆變供給負(fù)載，由電流互感器采樣流過超聲波換能器的電流。

（三）實(shí)驗(yàn)記錄。經(jīng)過7次實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)電導(dǎo)率記錄

甲組、乙組和丙組的電導(dǎo)率變化曲線如圖14所示：

圖14 甲、乙、丙組電導(dǎo)率量變化曲線

（1）從甲組、乙組以及丙組實(shí)驗(yàn)中記錄下來的數(shù)據(jù)與甲乙丙電導(dǎo)率隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的函數(shù)曲線能夠得出：甲組電導(dǎo)率變化的幅度最大，第一次測(cè)得的是500μS/cm，而第七次測(cè)得的是1497μS/cm，電導(dǎo)率變化幅度基本穩(wěn)定。乙組的電導(dǎo)率變化幅度相對(duì)于甲組而言比較小，第一次測(cè)得的500μS/cm變到第七次測(cè)得的1251μS/cm，丙組電導(dǎo)率基本保持不變。

（2）取甲組、乙組以及丙組三組中的水體樣品來觀察，甲組水體樣品顏色很深而且也很渾濁，乙組相對(duì)甲組樣品顏色不是很深且比甲組清澈，丙組水體樣品沒有任何變化。

（3）觀察甲組、乙組以及丙組的輸水管道內(nèi)壁可以發(fā)現(xiàn)，甲組銹垢很大幅度的減少了無水藻附于其上而且管壁上生成了一層較為光滑的膜，乙組水垢也減少了然而沒有甲組減少的明顯，丙組無變化。

（四）分析。根據(jù)以上結(jié)果和現(xiàn)象分析原因：丙組沒有通過超聲波水處理器來進(jìn)行處理，水體電導(dǎo)率由第一次所測(cè)得的501μS/cm變化為第七次所測(cè)得的505μS/cm，電導(dǎo)率略微有所加大，也許是由于少量銹垢自然分解而形成的，然而水體顏色深淺度沒有多少改變，水體還是非常清，輸水管道壁上的水藻表明了有微生物滋生。而甲組和乙組均通過超聲波水處理，所以水體電導(dǎo)率很明顯得到了提高，并且無水藻附著于管道壁上，還可以觀察到水體的顏色深淺度也發(fā)生了非常大的改變。由于頻率跟蹤系統(tǒng)的存在使得水處理的效率更高，通過觀測(cè)表明甲組水體樣品的顏色相對(duì)于乙組更為渾濁一些，而且甲組水體電導(dǎo)率也明顯高于乙組[11]。

五、結(jié)論

超聲波對(duì)輸水管道中的水體處理后可以起到除垢去垢與殺菌滅藻的作用。采用帶有頻率跟蹤系統(tǒng)超聲波水處理器相對(duì)于傳統(tǒng)的輸出不變頻率的水處理裝置效果更理想。通過三組對(duì)照實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證本文提出的超聲波水處理器的實(shí)際效果，并從除垢、防污、滅藻三個(gè)方面進(jìn)行了觀察和分析，得出了具有頻率跟蹤系統(tǒng)超聲波水處理器水處理效果非常理想的結(jié)論。