嵌入式超声波除垢器(含外文翻译(编辑修改稿)

嵌入式超声波除垢器(含外文翻译(编辑修改稿)内容摘要：

手段所达不到的效果。 超声对媒介具有机械作用、热作用、生物医学作用以及化学作用等。 用超声波使物体或物性变化的功率应用称功率超声。 功率超声是超声学中，研究超声能量对物质进行处理的一个学科分支。 超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一，目前， 超声技术的研究和应用的范围，己经从船舶、冶金、机械等领域扩大到二十多个工业部门，并取得了很好的社会效益和经济效益 [4]。 超声技术出现在二十世纪初期，近一个世纪的发展表明，超声技术是声学发展中最为活跃的一个部分，如今它已经渗透到国防建设、国民经济、人民生活和科学技术等各个领域。 1995 年 9 月在德国召开的首届世界超声学大会，集中体现了超声学发展的这一强劲势头。 科学家们发现 :一定频率范围内的超声波，作用于液体介质里，可以达到清洗的作用。 经过一段时间的研究和试验，不仅得到了满意的效果，而且发现其清洗效率极高，由此 超声波清洗机被逐渐运用于各行各业中去。 在应用初期，由于电子工业的限制，超声波清洗设备电源的体积比较庞大，稳定性及使用寿命不太理想，价格昂贵，一般的工矿企业难以承受，但其出色的清洗效率及效果，仍然让部分实力雄厚的国有企业一见倾心。 随着电广产业的飞速发展，新一代的电子元器件层出不穷，应用新的电子线路以及新的电子元器件，超声波电源的稳定性及使用寿命进一步的提高，体积减小，价格逐渐降低。 二十世纪八十年代末，第三代超声波电源问世，即逆变电源，应用最新 IGBT 元件，新的超声波电源具有体积小，可靠性高，寿命长等特点，清洗 效率得以进一步提高，而价格也降到了大部分企业可以接受的程度。 在国民经济中，超声波清洗对于提高产品质量，保障生产安全和设备的安全运行，降低生产成本，提高生产效率具有特别的潜在能力。 因此，我国在近十年来，对超声技术的研究与应用十分活跃。 超声阻垢技术作为现代的一种环保、高效的先进技术，具有很大的发展潜力。 但是由于目前超声除垢的机理及影响因素研究的还不是很深人，除垢器的设计也没能达到完善的程度，当前的应用领域也比较窄，因此有许多问题正等待着专家和学者去研究 [6]。 比如不同的管流及换热器件有其特定的结构，结垢物质， 结垢速度，结垢程度也大不相同，另外不同的设备有不同的结垢形态，而且有的换热工作表面声波不能波及，因此超声设备的最佳参数，设施部位和 xx 大学学士学位论文 5 安装方法等都十分重要，这些就必须在理论研究的指导下，通过实验和实践来选择、调整。 因此发展总的趋势是向着轻量化、高效率、模块化、智能化发展，并以提高可靠性为前提，融入数字化控制和优化控制，来增强产品的竞争力。 超声波除垢的优势 相比其他多种的除垢方式，超声波除垢显示出了巨大的优越性，尤其在专业化、集团化的生产企业中，己逐渐用超声波除垢器取代了传统的浸洗、刷洗、压力冲洗、振动 清洗和蒸汽清洗等工艺方法，超声波除垢器的高效率和高清洁度，得益于其声波在介质中传播时产生的穿透性和空化冲击波，所以很容易将带有复杂外形，内腔和细孔的零部件清洗干净，对一般的除油、防锈、磷化等工艺过程，在超声波作用下只需两三分钟即可完成，其速度比传统方法可提高几倍，甚至几十倍，清洁度也能达到高标准，这在许多对产品表面质量和生产率要求较高的场合，更突出地显示了用其它处理方法难以达到或不可取代的结果。 超声波清洗具有清洗洁净度高、清洗速度快等特点。 特别是对盲孔和各种几何状物体，独有其他除垢手段所无法达到的洗净效果。 表 11为各种除垢方式的比较 [11]。 表 11 超声波清洗与其他清洗的比较 名称 项目 超声波 除垢法 水处理法 化学法 干冰法 饱和 蒸汽法 原理 利用频率为几万次到几十万次的超声波振动，超声波在液体中传播，当能 量大于，把液体分子拉裂成空洞由于周围压力的增大，空化核又被击碎，空化击 碎时对周围形成巨大的冲击波，从而物体上的杂质剥离 下来，达到清洗的目的。 以水为介质 ,通过专用设备系统使水产生多束、多角度、强度各异的高压水射流，对被清洗设备内结垢和附着物及堵塞物进行彻底的切削、破碎、挤压、冲 刷以达到清洗的目的。 利用有机或无机清洗剂加入到被清洗的设备界面中，对难溶水垢、油污物粘泥等进行 分 散 剥离，同时与化学药剂发生反应，生成络和物或水溶性盐，从而达清洗的目的。 干冰颗粒温度极低 (78℃ )，故具有独特的热力学性能，当干冰颗粒被压缩空气冲击到被清洗 物表面时，使干冰迅速升华，在千分之几秒内体积膨胀近 800倍 时与待洗零件表面产生热交换，达到清洗零件的目的。 利用饱和蒸汽的高温，及外加高压，清洗零件表面的油渍污物，并将其汽化蒸发。 同时还可以清洗任何细小的间隙和孔洞，从而达 到 高效、 洁净。 xx 大学学士学位论文 6 续表 1 特点 超声波清洗主要用于清洗物体表面上的微颗粒，对于常规 的 污 染 物(如脏物、油脂、锈迹清洗效果很差或根根本无法达到清洗目的。 泵或增压器高压水射流能量的来源，高压泵 技术指标直接影响到水射流清洗效率质量能量 及成本高，而且对水质 的要求较高。 最原始且应用最广的一种方法。 酸或碱性的清洗物对被清洗物和设备产生腐蚀。 清洗 停 机 时 间长，能耗大。 没有二次 污染，需要 回收的只是清除下来可再次使用或直接排放的污垢。 发达国家和地区的特殊行业中使用。 1. 适用范围广如机械 、 喷漆 、 冷( 热 ) 加工、子、食品等行业； 2. 无需任何化学介质，绿色清洗，耗水量小 3. 经济、便捷 污染 用水作清洗介质 ， 污 染 较小，如用有机溶剂清洗，则污染和危险性较大。 极度污染 污染严重，特殊的溶剂还要对零件和设备进 行 防 锈 措施，对工作人员身体有一定的伤害。 加装回收装置可达到环 保求。 完全符合环 保 要求。 效果 特定场合清洗效果较好。 清洗效率低，针对特定的清洗对象，较难选择合适 的清洗参数，且清洗完后还要进行烘干处理。 对 管 件 和 盲孔、深孔无法处 理 ， 清 洗铜、铝等有色金属会使零件变色，清洗后零件表面的清洁度差。 无需添加任何清洗溶剂，直接清洗，效果优良。 设备成本和消耗成本低，且无环保费用。 经济备注 设备成本和消耗成本较高，工艺复杂。 难以把握各种被清洗物所需要的最佳工作频率、温度、时间以及合适的介质。 设备成本偏低，消耗成本和环保费用亦高。 水质的好坏对清洗效果影响很大。 对劳动保护技术服务的 要求较高。 清洗效率低，环保费用高。 对电线，电子及控制元件有损伤，加速设备生锈。 因采用 超低温的干冰，造价昂贵，设备要求较高。 对工作环境的要求极高，操作者要注意安全，清洗时必须保证良好的通风条件。 改善了劳动环境，减轻了劳动强度，提高了清洗效率，降低了消耗成本。 xx 大学学士学位论文 7 论文的主要工作 综上所述，超声波除垢是一项新兴的除垢技术，现阶段国内对此技术还处于研究阶段。 因此本课题在了解超声波技术发展现状、应用以及超声波除垢机理的基础上，研制开发了一套新型超声波防垢除垢器，并提出了合理的控制策略，当然超声波除垢的发展还有很大的发展空间和挑战。 针对传统的除垢方法不能在线除垢的问题，提出了一种具有在线 除垢特点的超声波除垢器，本论文主要完成以下几项工作： 1. 通过对超声波防垢除垢机理的研究，了解超声波空化作用产生的条件和空化气泡的运动过程，以及 磁致伸缩超声波换能器的工作原理。 2. 以理论分析结果为依据，构建控制系统的架构，控制部分以单片机构成 系统为核心， 电源部分 即 由 整流滤波电路、 IGBT的驱动保护电路、 及 由单片机组成的控制系统硬件电路设计。 3. 数字 PWM信号发生器研究与设计； 4. 系统的软件设计。 xx 大学学士学位论文 8 第 2章 超声波除垢器的研究与分析 随着电子技术和计算机技术的迅 猛发展，功率超声学的创新和开发应用已越来越显著地反映在工业处理的各个领域。 超声波除垢是功率超声的一种很重要的应用，它与超声无损检测不同，需要产生功率很大的超声波，但超声的频率不高一般在 18KHZ 到 25KHZ。 为了更好的对超声波除垢器系统的结构和所具有功能有一个全面的认识，现对系统的组成和原理进行简要的介绍。 超声波及超声波除垢简介 超声波简介 所谓超声波，是指人耳听不见的声波。 正常人的听觉可以听到 2020KHZ的声波，低于 20HZ 的声波称为次声波或亚声波，超过 20KHZ 的声波称为超声波。 超声波是声 波大家族中的一员。 声波是物体机械振动状态或能量的传播形式。 所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动 [4]。 譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于 20KHZ 以上的，其每秒的振动次数 (频率 )甚高，超出了人耳听觉的上限 (20KHZ)，人们将这种听不见的声波叫做超声波。 超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内 沿直线传播具有良好的束射性和方向性。 超声波具有如下特性 : 1. 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2. 超声波可传递很强的能量。 3. 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 4. 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 超声波除垢的原理 超声波除垢器主要是利用超声波强声场处理流体，使流体中成垢物质在超声场的作用下，其物理形态和性能发生一系列变化，使之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管壁形成积垢 [2021]。 超声波的除 垢机理主要表现在 : 1.“空化”效应 超声波的辐射能对被处理液体介质直接产生大量的空穴和气泡，也就是把液体拉裂而形成无数极微小的局部空穴，当这些空穴和气泡破裂或互相挤压时，产生一定范围的强大的压力峰，这一强压力峰能使成垢物质粉碎悬浮于液体介质中，并使已生成的垢层破碎使其易于脱落。 2．“活化”效应 超声波在液体介质中通过空化作用，可以使水分子裂解为 H自由基和 xx 大学学士学位论文 9 HO自由基，甚至 H+和 OH等。 而 OH与成垢物质离子可形成诸如 CaOH， MgOH等的配合物，从而增加水的溶解能力， 使其溶垢能力相对提高。 也就是说，超声波能提高流动液体和成垢物质的活性，增大被水分子包裹着的成垢物质微晶核的释放，破坏垢类生成和在管壁沉积的条件，使成垢物质在液体中形成分散沉积而不在管壁上形成硬垢。 3.“剪切”效应 水分子裂解产生的活性 H自由基的寿命比较长，它进入管道后将产生还原作用，可以使生成的积垢剥落下来。 而且因超声波辐射在垢层和管壁上，加热管上的吸收和传播速度不同，产生速度差，形成垢层与管壁界面上的相对剪切力，从而导致垢层产生疲劳而松脱。 4.“抑制”效应 通过超声波的 作用，改变了液体主体的物理化学性质，缩短了成垢物质的成核诱导期，刺激了微小晶核的生成。 新生成的这些微小晶核，由于体积小、质量轻、表面积大，悬浮于液体中，生成比壁面大得多的界面，有很强的争夺水中离子的能力，能抑制离子在壁面处的成核和长大，让既定结构的晶粒长大，因此减少了粘附于换热面上成垢离子的数量，从而也就减小了积垢的沉积速率。 实验研究表明，当液体过饱和系数一定时，在同一超声波参数下，超声波作用时间越长，则成垢物质的成核诱导期越短。 此外，超声波辐射压力、声学毛细管现象、科努瓦诺夫效应和声流对积垢生成也有直接的 防除效应。 系统的结构设计 随着超声技术的不断发展，超声波除垢以其具有节能环保等优点，而受到了广泛的关注。 但由于功率超声技术还处于发展阶段，有许多方面还需要进一步的改进。 为了提高超声波除垢的效果，这里对其控制部分进行了改进，使其能够随着可调 负载的变化来改变自身的频率 ，让超声系统工作在的换能器的谐振频率上，使超声波设。