电磁管道抗垢装置的功放及回馈电路关键技术

丁 金 华， 王 玉，彭 彦 平，孙 秋 花，王 辉，杨 振 国，韩 广 鑫，张 波

( 1.大连工业大学 机械工程与自动化学院， 辽宁 大连 116034;2.上海第二工业大学 理学院， 上海 201209;3.大连锦腾科技开发有限公司， 辽宁 大连 116031 )

0 引 言

工业生产中，水是最重要的热交换介质，结垢问题是影响设备正常运行的主要问题之一[1]。同样，输油管道中的油气等介质里面含有H2S和CO2、多种离子、细菌以及泥沙等杂质，故输油管道也很容易结垢[2]。另外，污水处理管道，随时间的增长，也易在管道内壁上形成水垢或其他污浊物附着在内壁上。因此，管道内壁腐蚀与结垢现象普遍存在。管道结垢使管道缩径，流通截面积变小，造成压力损失，排量减小及管道堵塞。管道结垢可能诱发管道局部腐蚀，导致管道漏失频繁，甚至穿孔，造成破坏性事故或带来重大经济损失。因管道结垢而进行的除垢清理、更换维修管道、误工的费用巨大，所以对管道污垢的防止和去除是急需解决的一个问题[3]。

1 防垢措施

目前，管道防垢主要有超声波防垢[4]、机械去垢、管道酸洗、管道高压水射流清洗[5]和电磁防垢[6]等方法。

超声清洗技术的研究和应用始于20世纪50年代，目前已经广泛地应用于电子电器工业、光学光电工业、钟表首饰工业、汽车工业、机械工业、金属制品工业、航天航空工业、制药工业和医疗器械等的清洗[7]。多数超声波清洗设备采用槽洗或在特制的容器内清洗等形式，用于管道防垢器具有在线连续工作、自动化程度高、工作性能可靠、无环境污染等[8]。然而，采用超声波防垢器，需要成本较高的超声波换能器，且所需要的功率较大。文献[4]超声波除垢研究表明，当超声波功率在100～200 W时具有抑垢作用；当超声波功率达200～600 W时具有除垢作用，其效果随超声波功率增加而增加。超声波能量可随介质的流动传播，但其抑垢和除垢作用将随介质流动方向改变而有所减弱。

机械去垢是通过机械方式清除管道结垢，如捅刷、吹气、冲洗、反冲洗和刮管等方式。目前常采用清管器，如磁力清管器、钉轮清管器和刷轮清管器等[9]。机械去垢通常需要中断设备运行，并拆除部分管道和设备；对黏结性强的垢和腐蚀产物，除垢效果欠佳。由于清管器为直线运动，要清理干净管内垢层，一般需5～6遍，有时多达10遍，清管效率低，除垢工作比较费工、费时，对弯管、变径管和支管等还存在一定问题。优点是对环境没有污染，对人体没有危害，也不需要特殊的劳动保护。

化学除垢是根据垢层的化学成分，选用合适的碱类或酸类化学剂进行溶解除垢，在施工过程中易损坏管线，污染环境，时间长，成本高。管道酸洗属化学除垢。

高压水射流清洗是利用柱塞泵产生的高压水经过特殊喷嘴喷向垢层，除垢彻底，效率高，但是其装机容量大，耗水多，存在水处理等问题。

总之，化学处理方法使用的阻垢剂和除垢剂，根据水质和环境的不同，需要有针对性地研制不同的化学配方，同时也会对设备和管线造成腐蚀，对环境造成污染，损害操作人员的健康，也需要投入大量的人工和药剂费用。电磁方法具有除垢和防垢的双重功能，对于黏结性强的硬垢和腐蚀产物去除效果明显，适用于多种类型的管材，绿色、无化学污染，功耗较超声法小(通常在1～30 W)，节省能源，不影响其他电子设备正常工作，具有安装简便、无需拆卸管道、无需停工停产等优点。电磁方法是今后管道去垢的发展方向。

2 电磁抗垢防垢原理

对水进行磁化处理的方法并非新技术，近年来各种磁化杯和磁化水装置随处可见，但对管道电磁去垢机理及效果仍属热点研究[3，10-14]。

英国Environment Treatment Concepts有限公司于1989年发明了电子除垢技术，随后研制了ScaleWatcher Enigma电子水垢控制系统。采用了先进的集成电路和信号处理技术，通过频谱扫描确定最佳调制频率，产生一种复杂频率的调制信号，通过信号电缆将该调制信号加在管道上，在管道内部产生一个分子力动态干扰场(DDMF信号场)，作用于管道中的流体和溶于其中的溶盐分子，产生一种核化效应。这种核化效应会对流体中的带电粒子产生交变的洛伦兹力，改变流体中溶盐正负离子的电化学特性和物理特性，破坏流体中溶盐正负离子之间的结合力，从而改变溶盐正负离子之间以及溶盐分子与其他任何表面之间的黏附特性，阻止流体中的溶盐沉积产生管垢。已在油田、石化、造纸等领域获得较好的应用[15]。

3 嵌入式音频电磁共振管道抗垢装置硬件原理

以上分析说明，用于管道的电磁抗垢装置不仅具有防垢、除垢、杀菌、灭藻的功能，也是一种绿色环保型产品。为此根据电磁防垢去垢的原理，研发了嵌入式音频电磁共振管道抗垢装置。装置充分利用了嵌入式混合信号微处理器C8051F系列单片机的内部功能，可编程计数阵列(PCA)和AD转换功能，简化了硬件线路，具有较好的性价比。其原理框图如图1所示。

图1 抗垢装置原理框图

装置的常规部分包括按键、显示、通讯、电源等单元和线性光耦回馈信号单元。功率放大单元是整个设计的关键部分，若要达到较好的抗垢防垢效果，需要有较好的功率输出，还要防止负载短路(或因线圈过少，阻抗较低)引起功率放大单元损坏。文献[1]采用了场效应管作为功放输出，并采取并联形式，以产生足够的电流，能够满足功率输出和磁场强度的要求。但采用场效应管作为功放电路，尚需要设计复杂的负载短路保护电路防止功放电路的损坏。

3.1 功放电路

音频电磁共振管道抗垢装置选用音频放大集成电路TDA2050。TDA2050是SGS-Thomson微电子公司32 W高保真音频功率放大器，供电电压可高达50 V，带宽20 Hz～80 kHz，放大器内部本身具有过热保护电路和输出短路保护电路。在功率、保护电路和带宽方面，TDA2050比较符合抗垢防垢音频电磁放大的要求。在功放电路设计上，没有直接利用TDA2050常规的线性功率放大电路。常规线性放大电路，当输出功率较大时，芯片本身的功耗随之增大，很难满足较大功率的输出要求。由于推动负载电感线圈为方波信号，采用比较电路的形式也可满足其功率输出。功率输出电路如图2所示。TDA2050放大器工作时处于比较开关状态，导通时本身消耗较小的功率，截止时不消耗功率。相对于常用的线性放大电路，TDA2050放大器大大减少了芯片本身的损耗，同时又满足了大功率输出的要求。

图2 采用TDA2050的功率输出电路

工作原理：音频交变信号(20 Hz～80 kHz)，送往图2的VCO处，阻容网络R1、C1以滤除高于80 kHz的干扰信号，R2、R3在TDA2050的同相端形成一合适的比较电压，这样TDA2050的引脚4就可以输出足以驱动负载L的交变电流，此交变电流通过负载线圈产生交变磁场，作用在管中流体，达到抗垢防垢的目的。图中的电阻R4作为峰值电压回馈信号取样电阻。

3.2 回馈峰值信号检测

采用了线性光耦U3(HCNR201)实现隔离的回馈电压峰值信号检测，如图3所示。D1、R4和C5组成负载上电压峰值检测电路。然后将信号通过电阻R5传输给线性光耦U3和运放U1B。运放U1B构成负反馈放大电路，线性光耦U3中的一个光电接收二极管PD1接在该运放的输入端，完成对线性光耦中LED输出光信号的检测，并自动调整通过LED的电流，以补偿LED光强随温度变化引起的非线性，因此该反馈放大器主要用于稳定LED的光输出并使其线性化。线性光耦U3中的另一个接收二极管PD2，接在运放U2A输入端，构成电流电压转换电路.并将转换好的峰值电压回馈信号送往微处理器的AD转换引脚进行采样。

图3 峰值回馈信号检测电路

微处理器单元通过检测负载线圈上的峰值电压大小，调整输出激励信号的频率，使装置处于最佳的抗垢防垢状态。

4 结束语

由于TDA音频功率放大芯片，自成系列。可根据输出功率大小或带宽来选用不同的芯片，如TDA2030的带宽为10 Hz～140 kHz，以满足不同的应用场合。嵌入式音频电磁共振管道抗垢装置目前已在某污水处理厂试用，起到了一定的防垢去垢作用。

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