日常生活和工业生产中水垢现象非常普遍,如不加以预防处理,危害极大。传统的化学除垢方法虽效果明显,但由于引入了其他有害杂质,且化学药剂本身存在着安全隐患,因而,不适合于人类日常生活中管道的防垢与除垢。物理除垢是用声、光、电、磁等技术及其相应设备来改变水中各种离子和分子的运动状况,实现除垢、防垢的目的,由于其具有节能环保的优势因而引起了人们的广泛关注^[1]。

目前,常用的物理防垢除垢方法有超声波处理法,磁化处理法,静电场处理法以及电磁场除垢法^[2]。超声波防垢除垢需要复杂的超声波发生装置,磁化处理法的磁场稳定性差,静电场处理法需要额外电能产生电场,而电磁场除能够有效除垢防垢外,还能对水质起到杀菌、灭藻的作用。本文基于电磁场除垢机理,将频率连续变化的电信号送入缠绕在管道上的漆包线圈,产生变化的电磁场。在电磁场作用下,污垢离子脱离管道壁,实现防垢除垢目的。

水垢的主要成分为碳酸钙和碳酸镁。水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成,通常80%的水分子以氢键缔合成水分子团的形式存在,这种水分子团对碳酸钙的溶解度较低,使水垢很容易析出,并附着在管道内壁。当电磁场振动频率同水分子自然频率相同时将产生共振现象,使氢键断裂,水分子变成单个极性水分子。该微小水分子可渗透、包围、溶解水系统中形成的垢层,同时使悬浮在水中的钙离子和镁离子形成特殊的文石碳酸钙晶体,其表面无电荷,无法在管道上吸附^[3,4,5]。

不同环境下水温、硬度、黏度、pH不同,其共振频率也不相同。变频电磁防垢除垢系统可产生频率不断变化的电磁场,不同条件下的水分子与频率不断变化的电磁场产生共振,达到防垢除垢的目的。

理论分析与实验结果表明,方波信号的防垢除垢效果较之其他信号更为明显。原因在于:首先,方波的变化更为剧烈,所产生的电磁场能对水中的离子和分子产生较大的扰动;其次,方波信号含有丰富的谐波成分,使水分子团与外加电磁场实现共振的机率更大^[4]。因此本系统选用30 min内频率从0 Hz～6 MHz连续变化的方波作为驱动信号,系统以72 W的输出功率驱动线圈产生变化的电磁场。

系统原理框图如图 1所示,主要由AVR单片机ATmega16、按键控制模块、串口通信模块、光耦隔离 电路、驱动电路及线圈组成。按键开启后系统上电,AVR单片机产生两路PWM波信号^[6,7],由于AVR单片机产生的方波信号其负载能力低,不能直接驱动负载线圈,需要利用驱动电路对AVR单片机产生的信号加以放大。为了提高系统稳定性和可靠性,AVR单片机和驱动电路之间设计光耦隔离电路实现信号隔离^[8,9]。驱动电路对信号放大并传输至线圈产生电磁场。串口通信模块将AVR单片机PWM波信号参数发送给上位机,供工作人员配置波形参量。

图 1

Fig. 1

图 1 电磁除垢防垢系统原理框图 Fig. 1 The diagram of electromagnetic prevention and fouling-removal system

整个系统外部输入36 V直流作为电机驱动电源,采用LM2576电源芯片将其转换为5 V直流后为AVR单片机、串口通信电路、ISP下载电路、光耦隔离电路供电。 图 2为电源模块原理图。输入端旁路电容C1选择470 μF的铝电解电容防止出现大的瞬间电压。输出端续流二极管选择开关速度快、正向压降低、反向恢复时间短的肖特基二极管,储能电感有高的通流量,C2选择470 μF钽电容用于输出滤波以及提高环路的稳定性。

图 2

Fig. 2

图 2 电源模块原理图 Fig. 2 The diagram of power module

图 3为ATmega16单片机工作最小系统,通过配置代码,单片机输出端口PD4、PD5产生两路相位相反的PWM波^[6]。

图 3

Fig. 3

图 3 单片机工作最小系统 Fig. 3 Micro controller unit system

ATmega16作为主控芯片,其外围电路包括晶振、复位电路、ISP下载电路、串口通信电路。选用12 MHz晶振为单片机提供工作时钟。单片机程序运行发生错误时,可由复位电路恢复处理器至初始工作状态。ISP下载电路实现单片机的程序烧写。对于AVR单片机,当RESET为低电平时,可以通过串行SPI接口对其片内的Flash程序存储器进行在线编程。配置代码时,PC机与AVR单片机属于主从关系,PC机为主机,单片机为从机。主机发出的串行数据经MOSI引脚传入从机,由从机返回的数据经MISO引脚传向主机。 SCK为串行时钟脉冲,由主机发往从机,主机通过SCK脉冲控制与从机传输数据。AVR单片机产生的方波信号通过串口通信模块发送给上位机,检测人员判断方波信号的频率、占空比及高低脉冲宽度是否符合要求。单片机输出为TTL/COMS电平,该电平规定逻辑0电平为0 V,逻辑1电平为5 V,计算机采用负逻辑的RS232电平,规定逻辑0电平为3～15 V,逻辑1为-15～-3 V,所以计算机与单片机之间通讯时需加MAX232电平转换芯片。

光耦隔离电路选用单通道高速光耦合器6N137,其电路原理如图 4所示。

图 4

Fig. 4

图 4 光耦隔离电路 Fig. 4 Optical-coupling isolation circuit

信号从引脚2和3输入,输入端有两种接法,分别得到反相或同相逻辑传输。本系统采用同相逻辑传输,引脚3接输入信号,引脚2接高电平。单片机输出两路PWM波通过两路光耦隔离电路,方波信号由引脚3输入,输出为Port2。

单片机产生的电流无法满足线圈产生电磁场的要求,设计驱动电路对线圈前端信号进行放大,可提供给负载的最大电流为2 A,电压为36 V。本系统选用步进电机专用控制器L298作为驱动电路主芯片,图 5为驱动电路原理图。使能输入端ENA接AVR单片机PD3口,当PD3口为高电平时芯片使能,引脚5和7为输入端,分别接两路方波信号,引脚2和3为输出端用来连接负载线圈。当L298从工作状态转换到停止状态时会形成反向电流,电路中的4个二极管起到保护芯片的作用。

图 5

Fig. 5

图 5 驱动电路 Fig. 5 Driving circuit

电感线圈将驱动电路输出的电信号转换为对应的幅值调制磁信号。本系统中的电感线圈是由直径为1.5 mm的漆包线在直径40 mm的铜质管道上单层绕制500匝。通电线圈内的方波电流在管道内部产生变化的磁场,根据法拉第电磁感应定律,变化的磁场产生变化的电场,在管道内形成变频电磁场。

电磁防垢除垢电路电源线和地线形成电流回路驱动整个电路系统,流经电流较大,应尽量减小导线的分布电阻,同时为了得到较为平坦的零电势点,增大电源线和地线宽度为0.75 mm。在元器件布局过程中考虑到LM2576电源芯片工作时发热量高,放置该芯片于PCB板靠近边缘处,且在LM2576芯片的下方添加焊盘加快散热速度。考虑到电磁兼容性及电路内部模块之间相互干扰,在便于信号流通的前提下,将各信号处理芯片分散排布于整块PCB板上。为了减少外界噪声干扰,PCB板上滤波电容放置于距离芯片信号输入管脚处,对PCB电路板进行覆铜,外加屏蔽壳处理。图 6为电磁防垢除垢电路实物图。

图 6

Fig. 6

图 6 电磁防垢除垢电路实物 Fig. 6 The photo of electromagnetic prevention

电磁防垢除垢电路程序流程图如图 7所示。本系统选用16位定时器/计数器,工作模式为占空比和频率均可调的相位修正PWM,该模式下的PWM频率f可由如下公式获得,即

图 7

Fig. 7

图 7 电磁防垢除垢电路程序流程图 Fig. 6 The flow chart of the program for electromagnetic prevention and fouling-removal circuit

用示波器跟踪检测,得到占空比为50%,频率在0 Hz~6 MHz随时间变化而变化的方波信号。

图 8和图 9是利用示波器检测到电磁信号发生装置在30 min内两个时间点的波形图。两幅图中的信号均为方波信号,时间差为12 min,频率由174.062 kHz变成2.515 MHz,满足变频特性。

图 8

Fig. 8

图 8 频率为174.062 kHz信号波形 Fig. 8 The waveform of the signal with

图 9

Fig. 9

图 9 频率为2.515 MHz信号波形 Fig. 9 The waveform of the signal with

图10为方波信号从0 Hz~6 MHz变化过程中,利用高斯计对管道中心位置的磁场强度进行测量的结果。

由图10可知,方波频率在500 kHz以内时,磁感应强度随着方波频率的增大而增大;当方波频率大于500 kHz时,磁感应强度在0.8~1.2 mT范围内波动。说明通电后的电感线圈产生了电磁场,且达到稳定后电磁场强度维持在一定范围内。

图 10

Fig. 10

图 10 方波信号频率与磁感应强度关系 Fig. 10 The relationship between the frequency of the square wave signal and the magnetic induction

选用铜管作为水流管道,试验前标记水管质量。使含有碳酸钙和碳酸镁的溶液流过水管并形成水垢^[10],再次记录水管质量并计算结垢量为2.5 g。将变频电磁场发生装置安装在测试水管上,每隔3 h测量一次水管质量。得到除垢量与时间的关系如图11所示。

从图11可以看出,该装置连续除垢接近20 h时,除垢量约为2.5 g且水管内部无新的水垢产生,达到了除垢防垢的目的。

图 11

Fig. 11

图 11 除垢量与时间的关系 Fig. 10 The relationship between fouling-removal amount and time

本文设计了一种基于AVR单片机的变频电磁信号发生电路,该装置克服了传统防垢除垢装置系统复杂、效率低等除垢防垢效果不理想的弊端,解决了单一频率电磁信号无法实现变频共振从而引起除垢低效或除垢失败的问题。理论分析和实验结果均验证了防垢除垢系统方案的可行性,整个电路系统结构紧凑、功耗低、便于操作,仅需36 V直流电源即可正常工作。