基于频率跟踪的超声波水处理技术研究

胡经纬 张 杰

（合肥职业技术学院机电工程学院 安徽合肥 230012）

超声波水处理适应条件广泛，应用在一般的管道水处理中只需普通交流电源即可，并且频率跟踪系统可以根据不同水质的特点调节谐振频率。本文提出的超声波水处理方法是一种可以适应于各种的水质环境，且能够根据水质变化自行调整电磁频率以达到最佳效果的空化水处理方法，能够较为有效达到去垢，防污、防腐、水质净化的目的。

一、超声波水处理技术除垢机理

（一）超声波对介质的作用。波可以在不同的介质中进行传递，由于波的传递质点会相应的做机械振动，超声波换能器所发出的超声波将会使得质点产生较强的作用力且该作用力的方向是单方向的，这种作用力改变了水垢晶体分子链的排列状况，这样，水垢晶体分子链流变性发生了改变。超声波对介质的具体作用机理如下：

声流作用：超声波换能器所发出的超声波在水体中传递的过程中由于介质吸收了超声波的动量和动能，管道中的水体将会做不规则性流动，水体这样不规则性的流动就形成声流。声流一般情况下具有一种能够使得水体产生强烈流动的性质，这种性质在物理学上称之为涡旋性质，这种涡旋性质可以使水垢的流变性发生变化。

解聚作用：超声波换能器所发出的超声波达到一定的强度时会使得高分子化合物的获得较大的加速度，从而形成分子与分子间的相对运动，由于分子间的相对运动使得分子键破裂，从而大分子被分解成若干小分子，这就是解聚作用。管道中水体在超声波空化作用下，解聚作用最为明显。

空化作用：超声波换能器发出的超声波传递到管道中的水体使得水体中不断的产生气泡，这些气泡又不断的破灭，这种气泡产生与破灭的过程称之为空化作用。在水体中，一般情况下存在着很多微小气泡，当超声波换能器发出的超声波传递到水体时那些气泡将会做伸张运动，声波达到一定强度时声场中的拉伸力使气泡膨胀，最终使气泡破裂，这种过程使得气泡局部温度迅速上升，有时可以达到上千度并能产生高压（其压强值可达千个大气压），其对周围水体产生声波作用，这种作用叫做空化作用，图1为空化效应。

图1 超声波换能器的空化效应

热作用：在超声波的作用下传播介质（水体、水垢、管道壁）内部会吸收超声波的能量，这样导致了水体、水垢、管道壁的边界处的相互摩擦作用，这种方式和空化作用所释放出的热量是热作用能量的最为主要的来源。此外，超声波的谐振频率越高，吸收热效果就越好，分界处的摩擦强度就越大，热作用效果也越明显[1]。

（二）除垢机理。超声波除垢的作用机理为：让一定强度的超声波通过水体，诱发声空化，其效果主要为热分解、自由基氧化及等离子氧化与高级氧化，使得有机物杂质直接分解和降解。

超声波水处理系统其实是由高频脉冲源和电磁-水能量转换器构成，通过电磁波向换能器中释放电磁场能量，再由换能器的换能作用释放出超声波来完成超声波水处理系统的水处理效果。当主电路向换能器体释放不同形式的电磁波时会有不同的水处理效果，只有当此电磁波作正弦变换时水处理效果最佳，而此时换能器（串联电路）正好处于谐振状态。

将超声波换能器等效为串联RLC电路，当换能器（串联RLC电路）发生谐振时等效电路的电磁能经换能作用后最大限度的转化成超声波，由超声波作用于水体后水体空化所产生的气泡渗透水垢层与管道内壁表面之间的小空隙，这种空化后的水体气泡不停地扩张、收缩，不间断的与水垢层接触、相互作用，这样使得水垢层一层层的被分离出来，最终使得整个水垢层被分离出来。上述过程如图2所示，此过程也叫做空化二次效应[2]。

图2 空化二次效应

超声波换能器发出的超声波传递到管道中的水体后水体发生空化作用，这样使得被处理水体中产生了大量泡沫，这些水体小气泡不断地产生和破裂。实验证明这些不断地产生和破裂的小气泡具有分离水垢让其被分离成为若干微小的水垢粒子的功能。实验中，选取固有频率为300kHz的超声波换能器并让其工作在最佳频率（固有频率）状态时，1mL的水能够生成150000～250000个气泡，当这些不断生成的气泡迅速破裂时，其最大压力值可以达到上万个大气压。

超声波换能器发出的超声波除了具有空化水体使得水体的活性提高的作用以外还可以提高水垢物质的分子活性。经过研究表明未经处理水垢晶体是四方晶体，而经过超声波处理后的水垢晶体变成了不规则晶体且体积也缩小了很多，为超声波作用前的1/100至1/10000。综上可以看出，超声波换能器发出的超声波可以改变水垢晶形状和体积大小，从而改善了水垢晶体分子流变性。超声波换能器发出的超声波在水管中不同介质（水体、垢体晶体与管道内壁）中的传播速率是不相等的，从而形成传播速度差，这种传播速度差形成一种力的作用，我们称为剪切力，在这种力的作用下使得管道管壁上的水垢松动最终使得水垢从管道壁上分离出来。

二、超声波水处理系统的设计方案

（一）超声波水处理系统。超声波水处理系统是由全桥逆变电路输出的高频脉冲源和换能器所构成，全桥逆变器产生高频振荡的电磁场能量，利用超声波换能器将电磁能量转化成超声波传递到管道中的水体。超声波水处理装置的水处理效果是通过超声波换能器向水中释放振荡的机械能而达到的。超声波水处理系统运行结构如图3所示，在图3中，图标1为36V直流电源，图标2为全桥逆变电路（控制器），图标3为水管，图标4为超声波换能器，图标5为接线。

图3 系统运行结构图

在超声波水处理器中水管的外壁上放置超声波换能器，由于超声波换能器是将电磁能量转换成水体机械能的器件，所以也将超声波换能器称作电磁-水能量转换器。换能器既是电磁水能量转换器上电磁能量的发射器，又是把电磁能量转换成超声波后发射超声波的发射器。

（二）超声波水处理系统分析。超声波水处理系统各个模块的结构框如图4所示。超声波换能器是整个水处理系统的中枢部分。由信号放大电路连接到主电路（全桥逆变电路），再由主电路产生的高频双极性脉冲馈入超声波换能器，换能器产生超声波；电流检测单元用以检测流过换能器的电流。TMS320F2812作为高频信号发生电路产生高频信号源，再经过驱动放大电路的放大作用后将信号传送到主电路（全桥逆变电路）用于控制场效应管的开通和关断。由主电路产生电磁脉冲通入超声波换能器后发出的超声波对水体进行处理，该电路主要由换能器、和MOSFET构成。由互感器（电流检测单元）对流过超声波换能器的电流进行检测，换能器电流的大小变化方向能够体现出其最佳频率的变化方向，再由高频信号发生电路及时的调整信号的频率，该单元包括电流检测单元、信号放大和信号处理单元，从而达到对超声波换能器最佳频率（固有频率）跟踪的效果。

图4 超声波水处理结构图

（三）超声换能器。超声波换能器是一种转换物理能量的器件，顾名思义其是将频率超过声音频率的电磁能量通过某种方式转换成同频率的机械振动能量，这种转换而成的机械振动能量就是超声波，图5为超声换能器实物图。本文所选用的是压电超声波换能器，这种换能器可以通过压电效应将电磁超声频能量转换成机械振动能量，如果我们将超声波换能器两端加上加上交流脉冲电压就可以发出相同频率的机械振动，当所加电压频率正好和压电超声波换能器的最佳频率相等时，换能器所产生的机械振动（超声波）最强烈，而此时超声波换能器正处于压电谐振状态[3]。超声波换能器等效电路如图6所示，当超声波换能器两端所加的交流脉冲电压的频率等于其最佳频率时它所发出的超声波振动幅度最大，但是当换能器工作于最佳频率时换能器器件本身的温度会迅速上升就会使得换能器的电气参数发生变化，这导致了换能器最佳频率（固有频率）的偏移，这种现象叫做换能器固有频率漂移（温飘）。本文的主要任务就是通过软件控制的方式实现超声波换能器最佳频率（固有频率）的自动跟踪。

图5 换能器实物图

图6 等效电路

根据图6等效电路中，静态阻抗称之为Z0，动态阻抗称之为Zm。

可得：

（四）超声波换能器阻抗匹配电路。超声波换能器阻抗匹配的好坏决定了其功率效率的高低，也决定了其稳定性的好坏，超声波换能器的阻抗匹配主要包括一下三个方面：阻抗变换、调谐和整形滤波。

阻抗变换：通过最大传输功率定理我们可以知道电源（主电路）阻抗与负载阻抗相同时，负载才可以得到最大传输功率，同样的道理，为了使超声波换能器获得最大的传输功率，我们就要让电源（主电路）的阻抗等于超声波换能器（此时换能器处于最佳频率工作状态）的阻抗。

调谐：我们知道当RLC串联电路处于谐振频率运行时电抗（电容和电感之和）等于0，动态阻抗等于Zm=R1+，然而静态阻抗（电容C0）不等于0，所以当超声波换能器工作于最佳频率（固有频率）时其呈现的电路为容性，如果不对主电路中和超声波换能器调谐的话，将会有大量的无功损耗，这就让超声波换能器接受主电路功率的效率降低。所以我们应该采取一些方法对超声波换能器的容性阻抗补偿，常被用作补偿容性阻抗的方法有串联和并联电感。

整形滤波：当超声波换能器工作于最佳工作频率（固有频率）的时候，由于换能器的最佳频率是一个高频信号，所以超声波换能器所接受的电信号也必定是高频信号，也就是说主电路所发出的交流脉冲信号的频率很高。而由于主电路发出的电信号频率很高，所以一定含有大量的谐波分量。我们有必要通过匹配电路来过滤掉高次谐波[4]。本文选用串联电感-并联电容匹配方式，采用串联电感-并电容匹配电路，具备电容匹配时的良好变阻性，滤波效果良好。采用串电感-并联电容匹配方式可以将图6等效成为图7。

图7 串电感-并电容匹配等效电路

由图7可得：

图8为经过串电感-并电容匹配后超声波换能器的电路。

图8 超声波换能器的等效电路图

（五）超声波水处理器主电路。谐振主电路一般采用推挽电路或全桥逆变电路。推挽电路将正弦信号放大后馈入超声波换能器使其产生谐振状态，然而推挽电路对温度特别敏感，导致工作点难以稳定，从而导致输出波形失真。相对于推挽电路而言，全桥逆变电路的稳定性比较好，并且在相同的条件下全桥逆变电路的输出功率的效率要比推挽电路高百分之三十左右。针对主电路输出对象（超声波换能器）谐振状态下对温度敏感等特点，本文选择用全桥逆变电路作为超声波水处理器的主电路[5]。

图9为串联谐振电路式变换器原理图；（忽略开关导通电阻与电感电阻）

图9 串联谐振变换器原理图

在全桥变换器中，以PWM进行控制时，对角的两只开关管Q1Q4、Q2Q3一同通断，Q1Q4与Q2Q3也为1800互补导通。Q1Q4同时导通时，VAB=Vin，Q2Q3同时导通时，VAB=-Vin，所以VAB是幅值等于Vin、脉宽等于1800宽的交流方波。

u0展开式为：

其基波幅值U01m为：

（六）信号处理器。超声波水处理器的特点是可以通过TMS320F2812 DSP芯片输出频率可以调节的PWM波，再将经过放大作用后将PWM波输入给超声波换能器，达到去除水垢的效果。然而如何实现TMS320F2812 DSP芯片输出频率的自动调节是最为重要的部分，由霍尔传感器实时并准确检测换能器中谐振电流的变化来实现频率跟踪，也就是说由霍尔传感器检测换能器的电流来反馈的超声波换能器的实时工作状态以此来调节TMS320F2812 DSP芯片输出PWM波的频率。在TMS320F2812 DSP芯片刚开始运行时，由芯片输出300kH频率的占空比40%带死区的2组PWM波，并对谐振后的电流（电压）幅值进行检测，由于谐振状态下电流（电压）值最大，因此经过不停的反馈比较，并通过调节PWM驱动信号使之输出电压幅值达到最大值的脉冲频率，从而使系统按照此频率输出稳定的PWM脉冲，以便使得系统的输出电压值达到理想目标[6]。

高频信号发生器是超声波水处理装置的非常重要的一部分，它决定了系统最后输出的频率大小，该发生器要根据电流检测单元反馈回来的信号来控制输出合适的频率。根据本文的设计要求，高频信号发生器要满足150kHz～2MHz频率的范围内可以实时的调节。TMS320F2812具有高性能的内核与强大的片内I/O与外设功能，它的事件管理器模块拥有产生PWM波的多种硬件资源。事件管理器功能框图如图10。

图10 事件管理器的PWM功能框图

经TMS320F2812用户手册可知：

根据公式（1）、（2）、（3），设置相关寄存器，使定时器比较输出，并经过设置死区单元为互补的一对PWM波设置死区，所设置引脚的引脚就会输出互补带死区的一对PWM波形。本文以TMS320F2812事件管理器模块产生脉冲波作为主电路4个MOS管的驱动信号。为了驱动MOS管构成谐振电路，必须保证4个MOS管能够顺利的对臂开通与关断，高频PWM信号必须互补输出，为了保护MOS管所以设置了死区，本实验设置高频信号源的初始频率设置300K，因此设置T1PR的初始值为125，T1CMPR的值为0.4倍的T1PR，并将T1PR定义为全局变量，DSP通过处理电流检测单元采集的信号来改变T1PR的值来控制调节脉冲的频率[7]。实验波形如图11所示。

图11 信号源输出互补带死区的高频PWM波形

图11所示波形为TMS320F2812产生的一对互补PWM波，满足初始频率设定的300KHz要求，占空比为40%并带死区，通过驱动放大电路能够保证4个MOS管能够顺利的对臂开通与关断。

（七）电流检测单元。在超声波水处理的测控系统中，霍尔传感器作为前端进行数据采集，DSP主要进行A/D转换及数据的采集和处理，通过控制高频脉冲信号产生单元脉的冲频率来实现实时超声波水处理的测控系统[8]。

三、频率跟踪的实现

当换能器工作于最佳频率时换能器器件本身的温度会迅速上升就会使得换能器的电气参数发生变化，这就会导致换能器最佳频率（固有频率）的偏移，这种现象叫做换能器固有频率漂移（温漂），从而超声波换能器上的电流随之发生变化，利用霍尔传感器和信号处理系统来判断电流是有没有达到最大值从而判定主电路中的换能器是否产生了谐振，通过信号处理器对换能器的电流进行分析，实时调节发出的高f0频信号，具体分析过程如下：让信号处理器初始系统的输出信号频率为f0，信号处理器存储初始换能器的电流信号i0，减小（或增大）TMS320F2812芯片的输出频率使得f=f0+f1，f1是TMS320F2812芯片的输出信号频率的增量，电流检测模块检测当前换能器的电流大小i1，如果i1大于i0，那么就接着减小（或增大）TMS320F2812芯片输出信号的频率f；而如果i1小于i0，那么就增大（或减小）TMS320F2812芯片的输出信号频率f，最终时期达到平衡状态。如图12是频率实时调节的流程图，利用这段程序来完成上述的频率自动跟踪[9]。

图12 频率实时调节流程图

四、实验

为了验证本文所设计的超声波水处理器的实际使用效果，在实验室中对该设备进行了一系列的实验和检测，并且对于最终的实验结果进行了较为详尽的分析。具体的实验过程介绍如下。

（一）实验原理及过程。在超声波水处理系统的实验中，利用在输水管道嵌入超声波换能器的方式来对水体处理。由于管道内壁上结垢和铁锈的分解与脱落，由此导致了水体中金属离子浓度大幅度的上升，从而使得水体颜色加深，而且水体电导率也大幅度上升。因此能够利用对经超声波换能器处理后的水体的电导率进行测试比较并观察水体颜色的深浅对比来检验超声波水处理器的去垢除锈效果。在除锈的过程中，随着老锈不断的脱落，输水管道壁上会逐渐生成一层较为致密的四氧化三铁膜，而此膜能够达到很好的阻锈防垢的效果，利用对处理后的管道壁观察的结果，也可以详细的分析防垢防锈效果。

（二）实验设计。选取如下装置：取几段结垢、生锈较为严重的输水管道，装满池塘里自然水，动用电气焊，将原管道以换能器短管长度切割下来，在两个切口处分贝焊接一个法兰，将超声波换能器与原管道的法兰联结。图13为实验结构图，设置甲组、乙组、丙组对比用以分析实验效果。

图13 实验设计图

给予三个试验组完全相同的温度湿度等条件。第一组，甲组，将甲组置于具有自动频率跟踪功能的超声波水处理方式下进行除垢实验；第二组，乙组，将乙组置于没有自动频率跟踪功能（输出单一频率PWM波）的超声波水处理方式下进行除垢实验，丙组是实验对照组而无需作任何处理，经过实验后对甲、乙、丙三组管道内的水体进行电导率的测量。经过7次对比实验后，记录它们导电率并仔细完成观察记录。整个实验过程结束之后我们通利用记录下来的数据的对比来测试超声波水处理系统的去垢阻锈的效果[10]。

（1）依据实验结束后记录数据的对比，推理除垢的效果。

（2）从甲组、乙组以及丙组中提取出等量的水体样品，观察它们颜色深浅度的大小，然后定性比较分析去垢阻锈的效果。

（3）观测甲组、乙组以及丙组中的输水管道内壁，看看有没有一层致密的颜色很深的Fe3O4或一层淡绿色的水藻附着于其上。

36V直流电源经全桥逆变供给负载，由电流互感器采样流过超声波换能器的电流。

（三）实验记录。经过7次实验，记录数据如表1所示。

表1 实验电导率记录

甲组、乙组和丙组的电导率变化曲线如图14所示：

图14 甲、乙、丙组电导率量变化曲线

（1）从甲组、乙组以及丙组实验中记录下来的数据与甲乙丙电导率随着实验时间的函数曲线能够得出：甲组电导率变化的幅度最大，第一次测得的是500µS/cm，而第七次测得的是1497µS/cm，电导率变化幅度基本稳定。乙组的电导率变化幅度相对于甲组而言比较小，第一次测得的500µS/cm变到第七次测得的1251µS/cm，丙组电导率基本保持不变。

（2）取甲组、乙组以及丙组三组中的水体样品来观察，甲组水体样品颜色很深而且也很浑浊，乙组相对甲组样品颜色不是很深且比甲组清澈，丙组水体样品没有任何变化。

（3）观察甲组、乙组以及丙组的输水管道内壁可以发现，甲组锈垢很大幅度的减少了无水藻附于其上而且管壁上生成了一层较为光滑的膜，乙组水垢也减少了然而没有甲组减少的明显，丙组无变化。

（四）分析。根据以上结果和现象分析原因：丙组没有通过超声波水处理器来进行处理，水体电导率由第一次所测得的501µS/cm变化为第七次所测得的505µS/cm，电导率略微有所加大，也许是由于少量锈垢自然分解而形成的，然而水体颜色深浅度没有多少改变，水体还是非常清，输水管道壁上的水藻表明了有微生物滋生。而甲组和乙组均通过超声波水处理，所以水体电导率很明显得到了提高，并且无水藻附着于管道壁上，还可以观察到水体的颜色深浅度也发生了非常大的改变。由于频率跟踪系统的存在使得水处理的效率更高，通过观测表明甲组水体样品的颜色相对于乙组更为浑浊一些，而且甲组水体电导率也明显高于乙组[11]。

五、结论

超声波对输水管道中的水体处理后可以起到除垢去垢与杀菌灭藻的作用。采用带有频率跟踪系统超声波水处理器相对于传统的输出不变频率的水处理装置效果更理想。通过三组对照实验来验证本文提出的超声波水处理器的实际效果，并从除垢、防污、灭藻三个方面进行了观察和分析，得出了具有频率跟踪系统超声波水处理器水处理效果非常理想的结论。