基于頻率跟蹤的超聲波水處理技術研究

胡經緯 張 杰

（合肥職業技術學院機電工程學院 安徽合肥 230012）

超聲波水處理適應條件廣泛，應用在一般的管道水處理中只需普通交流電源即可，并且頻率跟蹤系統可以根據不同水質的特點調節諧振頻率。本文提出的超聲波水處理方法是一種可以適應于各種的水質環境，且能夠根據水質變化自行調整電磁頻率以達到最佳效果的空化水處理方法，能夠較為有效達到去垢，防污、防腐、水質凈化的目的。

一、超聲波水處理技術除垢機理

（一）超聲波對介質的作用。波可以在不同的介質中進行傳遞，由于波的傳遞質點會相應的做機械振動，超聲波換能器所發出的超聲波將會使得質點產生較強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生了改變。超聲波對介質的具體作用機理如下：

聲流作用：超聲波換能器所發出的超聲波在水體中傳遞的過程中由于介質吸收了超聲波的動量和動能，管道中的水體將會做不規則性流動，水體這樣不規則性的流動就形成聲流。聲流一般情況下具有一種能夠使得水體產生強烈流動的性質，這種性質在物理學上稱之為渦旋性質，這種渦旋性質可以使水垢的流變性發生變化。

解聚作用：超聲波換能器所發出的超聲波達到一定的強度時會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運動，由于分子間的相對運動使得分子鍵破裂，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：超聲波換能器發出的超聲波傳遞到管道中的水體使得水體中不斷的產生氣泡，這些氣泡又不斷的破滅，這種氣泡產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，當超聲波換能器發出的超聲波傳遞到水體時那些氣泡將會做伸張運動，聲波達到一定強度時聲場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，有時可以達到上千度并能產生高壓（其壓強值可達千個大氣壓），其對周圍水體產生聲波作用，這種作用叫做空化作用，圖1為空化效應。

圖1 超聲波換能器的空化效應

熱作用：在超聲波的作用下傳播介質（水體、水垢、管道壁）內部會吸收超聲波的能量，這樣導致了水體、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，分界處的摩擦強度就越大，熱作用效果也越明顯[1]。

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

超聲波水處理系統其實是由高頻脈沖源和電磁-水能量轉換器構成，通過電磁波向換能器中釋放電磁場能量，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的水處理效果。當主電路向換能器體釋放不同形式的電磁波時會有不同的水處理效果，只有當此電磁波作正弦變換時水處理效果最佳，而此時換能器（串聯電路）正好處于諧振狀態。

將超聲波換能器等效為串聯RLC電路，當換能器（串聯RLC電路）發生諧振時等效電路的電磁能經換能作用后最大限度的轉化成超聲波，由超聲波作用于水體后水體空化所產生的氣泡滲透水垢層與管道內壁表面之間的小空隙，這種空化后的水體氣泡不停地擴張、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[2]。

圖2 空化二次效應

超聲波換能器發出的超聲波傳遞到管道中的水體后水體發生空化作用，這樣使得被處理水體中產生了大量泡沫，這些水體小氣泡不斷地產生和破裂。實驗證明這些不斷地產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。實驗中，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）狀態時，1mL的水能夠生成150000～250000個氣泡，當這些不斷生成的氣泡迅速破裂時，其最大壓力值可以達到上萬個大氣壓。

超聲波換能器發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的分子活性。經過研究表明未經處理水垢晶體是四方晶體，而經過超聲波處理后的水垢晶體變成了不規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。超聲波換能器發出的超聲波在水管中不同介質（水體、垢體晶體與管道內壁）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最終使得水垢從管道壁上分離出來。

二、超聲波水處理系統的設計方案

（一）超聲波水處理系統。超聲波水處理系統是由全橋逆變電路輸出的高頻脈沖源和換能器所構成，全橋逆變器產生高頻振蕩的電磁場能量，利用超聲波換能器將電磁能量轉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械能而達到的。超聲波水處理系統運行結構如圖3所示，在圖3中，圖標1為36V直流電源，圖標2為全橋逆變電路（控制器），圖標3為水管，圖標4為超聲波換能器，圖標5為接線。

圖3 系統運行結構圖

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換成水體機械能的器件，所以也將超聲波換能器稱作電磁-水能量轉換器。換能器既是電磁水能量轉換器上電磁能量的發射器，又是把電磁能量轉換成超聲波后發射超聲波的發射器。

（二）超聲波水處理系統分析。超聲波水處理系統各個模塊的結構框如圖4所示。超聲波換能器是整個水處理系統的中樞部分。由信號放大電路連接到主電路（全橋逆變電路），再由主電路產生的高頻雙極性脈沖饋入超聲波換能器，換能器產生超聲波；電流檢測單元用以檢測流過換能器的電流。TMS320F2812作為高頻信號發生電路產生高頻信號源，再經過驅動放大電路的放大作用后將信號傳送到主電路（全橋逆變電路）用于控制場效應管的開通和關斷。由主電路產生電磁脈沖通入超聲波換能器后發出的超聲波對水體進行處理，該電路主要由換能器、和MOSFET構成。由互感器（電流檢測單元）對流過超聲波換能器的電流進行檢測，換能器電流的大小變化方向能夠體現出其最佳頻率的變化方向，再由高頻信號發生電路及時的調整信號的頻率，該單元包括電流檢測單元、信號放大和信號處理單元，從而達到對超聲波換能器最佳頻率（固有頻率）跟蹤的效果。

圖4 超聲波水處理結構圖

（三）超聲換能器。超聲波換能器是一種轉換物理能量的器件，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換成同頻率的機械振動能量，這種轉換而成的機械振動能量就是超聲波，圖5為超聲換能器實物圖。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將電磁超聲頻能量轉換成機械振動能量，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出相同頻率的機械振動，當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，換能器所產生的機械振動（超聲波）最強烈，而此時超聲波換能器正處于壓電諧振狀態[3]。超聲波換能器等效電路如圖6所示，當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它所發出的超聲波振動幅度最大，但是當換能器工作于最佳頻率時換能器器件本身的溫度會迅速上升就會使得換能器的電氣參數發生變化，這導致了換能器最佳頻率（固有頻率）的偏移，這種現象叫做換能器固有頻率漂移（溫飄）。本文的主要任務就是通過軟件控制的方式實現超聲波換能器最佳頻率（固有頻率）的自動跟蹤。

圖5 換能器實物圖

圖6 等效電路

根據圖6等效電路中，靜態阻抗稱之為Z0，動態阻抗稱之為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，也決定了其穩定性的好壞，超聲波換能器的阻抗匹配主要包括一下三個方面：阻抗變換、調諧和整形濾波。

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）阻抗與負載阻抗相同時，負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（此時換能器處于最佳頻率工作狀態）的阻抗。

調諧：我們知道當RLC串聯電路處于諧振頻率運行時電抗（電容和電感之和）等于0，動態阻抗等于Zm=R1+，然而靜態阻抗（電容C0）不等于0，所以當超聲波換能器工作于最佳頻率（固有頻率）時其呈現的電路為容性，如果不對主電路中和超聲波換能器調諧的話，將會有大量的無功損耗，這就讓超聲波換能器接受主電路功率的效率降低。所以我們應該采取一些方法對超聲波換能器的容性阻抗補償，常被用作補償容性阻抗的方法有串聯和并聯電感。

整形濾波：當超聲波換能器工作于最佳工作頻率（固有頻率）的時候，由于換能器的最佳頻率是一個高頻信號，所以超聲波換能器所接受的電信號也必定是高頻信號，也就是說主電路所發出的交流脈沖信號的頻率很高。而由于主電路發出的電信號頻率很高，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]。本文選用串聯電感-并聯電容匹配方式，采用串聯電感-并電容匹配電路，具備電容匹配時的良好變阻性，濾波效果良好。采用串電感-并聯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放大后饋入超聲波換能器使其產生諧振狀態，然而推挽電路對溫度特別敏感，導致工作點難以穩定，從而導致輸出波形失真。相對于推挽電路而言，全橋逆變電路的穩定性比較好，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。針對主電路輸出對象（超聲波換能器）諧振狀態下對溫度敏感等特點，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為串聯諧振電路式變換器原理圖；（忽略開關導通電阻與電感電阻）

圖9 串聯諧振變換器原理圖

在全橋變換器中，以PWM進行控制時，對角的兩只開關管Q1Q4、Q2Q3一同通斷，Q1Q4與Q2Q3也為1800互補導通。Q1Q4同時導通時，VAB=Vin，Q2Q3同時導通時，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）信號處理器。超聲波水處理器的特點是可以通過TMS320F2812 DSP芯片輸出頻率可以調節的PWM波，再將經過放大作用后將PWM波輸入給超聲波換能器，達到去除水垢的效果。然而如何實現TMS320F2812 DSP芯片輸出頻率的自動調節是最為重要的部分，由霍爾傳感器實時并準確檢測換能器中諧振電流的變化來實現頻率跟蹤，也就是說由霍爾傳感器檢測換能器的電流來反饋的超聲波換能器的實時工作狀態以此來調節TMS320F2812 DSP芯片輸出PWM波的頻率。在TMS320F2812 DSP芯片剛開始運行時，由芯片輸出300kH頻率的占空比40%帶死區的2組PWM波，并對諧振后的電流（電壓）幅值進行檢測，由于諧振狀態下電流（電壓）值最大，因此經過不停的反饋比較，并通過調節PWM驅動信號使之輸出電壓幅值達到最大值的脈沖頻率，從而使系統按照此頻率輸出穩定的PWM脈沖，以便使得系統的輸出電壓值達到理想目標[6]。

高頻信號發生器是超聲波水處理裝置的非常重要的一部分，它決定了系統最后輸出的頻率大小，該發生器要根據電流檢測單元反饋回來的信號來控制輸出合適的頻率。根據本文的設計要求，高頻信號發生器要滿足150kHz～2MHz頻率的范圍內可以實時的調節。TMS320F2812具有高性能的內核與強大的片內I/O與外設功能，它的事件管理器模塊擁有產生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TMS320F2812用戶手冊可知：

根據公式（1）、（2）、（3），設置相關寄存器，使定時器比較輸出，并經過設置死區單元為互補的一對PWM波設置死區，所設置引腳的引腳就會輸出互補帶死區的一對PWM波形。本文以TMS320F2812事件管理器模塊產生脈沖波作為主電路4個MOS管的驅動信號。為了驅動MOS管構成諧振電路，必須保證4個MOS管能夠順利的對臂開通與關斷，高頻PWM信號必須互補輸出，為了保護MOS管所以設置了死區，本實驗設置高頻信號源的初始頻率設置300K，因此設置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通過處理電流檢測單元采集的信號來改變T1PR的值來控制調節脈沖的頻率[7]。實驗波形如圖11所示。

圖11 信號源輸出互補帶死區的高頻PWM波形

圖11所示波形為TMS320F2812產生的一對互補PWM波，滿足初始頻率設定的300KHz要求，占空比為40%并帶死區，通過驅動放大電路能夠保證4個MOS管能夠順利的對臂開通與關斷。

（七）電流檢測單元。在超聲波水處理的測控系統中，霍爾傳感器作為前端進行數據采集，DSP主要進行A/D轉換及數據的采集和處理，通過控制高頻脈沖信號產生單元脈的沖頻率來實現實時超聲波水處理的測控系統[8]。

三、頻率跟蹤的實現

當換能器工作于最佳頻率時換能器器件本身的溫度會迅速上升就會使得換能器的電氣參數發生變化，這就會導致換能器最佳頻率（固有頻率）的偏移，這種現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生變化，利用霍爾傳感器和信號處理系統來判斷電流是有沒有達到最大值從而判定主電路中的換能器是否產生了諧振，通過信號處理器對換能器的電流進行分析，實時調節發出的高f0頻信號，具體分析過程如下：讓信號處理器初始系統的輸出信號頻率為f0，信號處理器存儲初始換能器的電流信號i0，減?。ɑ蛟龃螅㏕MS320F2812芯片的輸出頻率使得f=f0+f1，f1是TMS320F2812芯片的輸出信號頻率的增量，電流檢測模塊檢測當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芯片的輸出信號頻率f，最終時期達到平衡狀態。如圖12是頻率實時調節的流程圖，利用這段程序來完成上述的頻率自動跟蹤[9]。

圖12 頻率實時調節流程圖

四、實驗

為了驗證本文所設計的超聲波水處理器的實際使用效果，在實驗室中對該設備進行了一系列的實驗和檢測，并且對于最終的實驗結果進行了較為詳盡的分析。具體的實驗過程介紹如下。

（一）實驗原理及過程。在超聲波水處理系統的實驗中，利用在輸水管道嵌入超聲波換能器的方式來對水體處理。由于管道內壁上結垢和鐵銹的分解與脫落，由此導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，而且水體電導率也大幅度上升。因此能夠利用對經超聲波換能器處理后的水體的電導率進行測試比較并觀察水體顏色的深淺對比來檢驗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，輸水管道壁上會逐漸生成一層較為致密的四氧化三鐵膜，而此膜能夠達到很好的阻銹防垢的效果，利用對處理后的管道壁觀察的結果，也可以詳細的分析防垢防銹效果。

（二）實驗設計。選取如下裝置：取幾段結垢、生銹較為嚴重的輸水管道，裝滿池塘里自然水，動用電氣焊，將原管道以換能器短管長度切割下來，在兩個切口處分貝焊接一個法蘭，將超聲波換能器與原管道的法蘭聯結。圖13為實驗結構圖，設置甲組、乙組、丙組對比用以分析實驗效果。

圖13 實驗設計圖

給予三個試驗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頻率跟蹤功能的超聲波水處理方式下進行除垢實驗；第二組，乙組，將乙組置于沒有自動頻率跟蹤功能（輸出單一頻率PWM波）的超聲波水處理方式下進行除垢實驗，丙組是實驗對照組而無需作任何處理，經過實驗后對甲、乙、丙三組管道內的水體進行電導率的測量。經過7次對比實驗后，記錄它們導電率并仔細完成觀察記錄。整個實驗過程結束之后我們通利用記錄下來的數據的對比來測試超聲波水處理系統的去垢阻銹的效果[10]。

（1）依據實驗結束后記錄數據的對比，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）觀測甲組、乙組以及丙組中的輸水管道內壁，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直流電源經全橋逆變供給負載，由電流互感器采樣流過超聲波換能器的電流。

（三）實驗記錄。經過7次實驗，記錄數據如表1所示。

表1 實驗電導率記錄

甲組、乙組和丙組的電導率變化曲線如圖14所示：

圖14 甲、乙、丙組電導率量變化曲線

（1）從甲組、乙組以及丙組實驗中記錄下來的數據與甲乙丙電導率隨著實驗時間的函數曲線能夠得出：甲組電導率變化的幅度最大，第一次測得的是500μS/cm，而第七次測得的是1497μS/cm，電導率變化幅度基本穩定。乙組的電導率變化幅度相對于甲組而言比較小，第一次測得的500μS/cm變到第七次測得的1251μS/cm，丙組電導率基本保持不變。

（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壁可以發現，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。根據以上結果和現象分析原因：丙組沒有通過超聲波水處理器來進行處理，水體電導率由第一次所測得的501μS/cm變化為第七次所測得的505μS/cm，電導率略微有所加大，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生了非常大的改變。由于頻率跟蹤系統的存在使得水處理的效率更高，通過觀測表明甲組水體樣品的顏色相對于乙組更為渾濁一些，而且甲組水體電導率也明顯高于乙組[11]。

五、結論

超聲波對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超聲波水處理器相對于傳統的輸出不變頻率的水處理裝置效果更理想。通過三組對照實驗來驗證本文提出的超聲波水處理器的實際效果，并從除垢、防污、滅藻三個方面進行了觀察和分析，得出了具有頻率跟蹤系統超聲波水處理器水處理效果非常理想的結論。