基于数控超声波发生器的防除污损生物系统设计

摘要

由于污损生物容易在海水管线内壁和海水过滤器网附着沉积,为此可利用超声波技术杀死海生物幼体,以防止其透过滤网进入海水系统成长,从而避免造成海水管道污染堵塞。论文针对中海油海上平台防除污损生物的需求,进行了超声波自动控制系统的设计及实施。
　　论文所涉及的超声波自动控制系统主要由超声波发生器、超声波振动系统、防爆柜和组态监控系统组成。论文通过分析海上平台防除污损生物的要求,首先设计了超声波防爆系统,针对单台或多台启动需求,进行了控制柜的电气设计及连接;然后针对超声波振动部分功率和频率的需求,选择了合适的换能器,并针对此换能器研究开发了基于STM32的超声波数控发生器;最后,针对海上平台全自动超声波控制系统的监控需求,设计了组态界面,基于Modbus通信协议的基础上实时显示超声波驱动电源的数据。
　　本文所设计的数控式超声波发生器(或称为超声波驱动电源)采用意法半导体(ST)公司生产的STM32系列为主控芯片。通过四路PWM输出驱动电路来分别驱动全桥电路的四个IGBT,经变压器耦合产生的高频交流信号,通过串联谐振匹配网络后接入超声波换能器并驱动超声波振动系统以需要的振幅进行工作。超声波驱动电源系统采用智能数字式控制算法,实现自动频率搜索与频率跟踪精细、准确。通过实验结果,设计了一种智能化的功率控制方法即便在工作负载剧烈变化的场合,也能实现换能器振幅恒定,同时系统内置保护电路,系统故障报警机制完善且运行稳定。
　　论文通过设置不同的工作功率和工作方式,通过检测超声波系统对海生物的杀死效果以寻求超声波杀死海生物的最佳功率。同时论文实验结果表明超声波在防除海洋污损生物方面具有简单、经济、有效、环保等优点。因此,运用超声波技术开展海洋污损生物防除方面的实验研究具有重要的意义和美好的发展前景。

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第1章 绪论

1.1 超声波设备发展应用概述

1.2 超声波驱动电源发展概述

1.3 本文的研究背景及意义

1.4 论文的组织

1.5 本章小结

第2章 超声波换能器的建模分析

2.1 超声波换能器介绍

2.2超声波换能器分析

2.3 超声波换能器等效电路分析

2.4 换能器仿真分析

2.5本章小结

第3章 超声波驱动电源硬件、软件设计与分析

3.1 超声波电源硬件设计、分析

3.2超声波电源软件设计与分析

3.3 本章小结

第4章 超声波设备海上平台系统设计

4.1 海洋污损生物简介

4.2 污损生物的防除技术[66-67]

4.3 超声波设备系统设计

4.4 超声波设备监控系统设计

4.5 本章小结

第5章 超声波防除海生物效果分析

5.1 超声波防除海生物检测方法

5.2 检测方案及结果分析

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

附录一 八台超声波电源控制柜布线图

附录二 六台超声波电源控制柜布线图

附录三