一种基于滞环比较法的电磁除垢防垢方法及除垢防垢装置

摘要

本发明公开了一种基于滞环比较法的电磁除垢防垢方法及除垢防垢装置，通过数据采集器测量待处理水体的电导率值与温度值；上位机根据采集的数据利用滞环比较法寻找全局最优谐振频率，并向单片机控制器发送信号控制高频信号发生器产生相应频率的电磁脉冲；高频信号发生器以全局最优频率产生电磁脉冲对水体进行除垢。本发明除垢防垢效果明显，并自动调整频率以匹配水体的谐振频率，以达到最佳的除垢效果；适应性好，除垢范围更为广泛，不局限于单一环境的水体，应用范围更广；采用滞环比较法，避免了因待处理水体的电导率值与电磁脉冲频率的曲线不够理想，而误把局部最优频率作为全局最优频率的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够对管道的污垢和管壁腐蚀以及微生物等进行有效地去除及抑制、自动选取最优电磁频率的电磁除垢装置及处理方法。

背景技术

目前国内外使用较多的抗垢、除垢方法主要分为化学法和物理法。化学方法大体有离子交换树脂法、加药软化法、投加阻垢剂法等。物理方法包括磁化处理法、高压静电场处理法、超声波法、高频电磁除垢法等。化学除垢虽然人们对其工作原理比较熟悉，使用方法简单可行，但是很容易造成水体污染，环境破坏等问题。而传统的物理方法则需要拆除管道清洗，需要耗费很大的人力物力，影响企业生产的正常运行，降低了企业生产效率。高频电磁水处理技术不但能有效地防垢、除垢、抑制金属腐蚀，还能杀菌灭藻，与其他循环水处理技术相比效果更好，而且实现起来要更简单方便。其进行处理的作用机理如下：①通过产生交变磁场，使得水体产生谐振，大的水分子团裂解为双水分子或单水分子，提高了水的活化性和对水垢的溶解度，极微小的水分子可以渗透、包围、疏松、溶解、去除金属管道壁上的老垢；②处理水在高频电磁场的作用下会激发出大量电子，依据“集肤效应”原理在水管内壁形成动态的负电荷富态层，削弱、抑制电化学腐蚀。而附着在管壁上的2价铁离子经过化学反应后生成的四氧化三铁能够有效地将管壁与水隔开；③循环水经过高频电磁场后，水中微生物细胞内的“补酶”会丧失代谢功能，细胞的活性受到抑制。高频电磁场破坏了微生物的细胞膜，使细胞内的原生质漏出而死亡。同时能在水中产生一定量的活性氧自由基，活性氧能破坏生物细胞的离子通道，改变细菌、藻类生存的生物场，影响菌藻的新陈代谢，从而起到杀菌灭藻作用。

目前市场上的高频、变频电磁除垢设备产品众多，原理相似，都是通过外加交变谐振频率与水体产生谐振，从而达到除垢的效果。但目前大多数产品的电磁频率设定单一，均不能保证对不同环境的水体达到同样的除垢效果，不同水体的谐振频率彼此不一样，则要求加载于管道水体的交变谐振频率需与水体谐振频率保持一致，而目前尚缺乏一种简便实用快速的最优谐振频率判断方法。

目前用于评估除垢效果、确定最佳谐振频率的常用方法有结构重量比对法、配位滴定法以及电子显微镜观察结垢晶型法。结构重量比对法是通过对电磁处理前后析出结垢物质重量的比较来反映除垢效果；配位滴定法是通过测量剩下的、溶于水中的钙离子浓度的方法来衡量除垢效果的好坏；电子显微镜观察结垢晶型法通过电子显微镜来观察电磁场作用前后，生成的结垢物质在微观晶型上的区别来定性分析除垢效果的好坏。上述常用的评估除垢效果、确定最佳谐振频率的方法都是离线进行的，不仅耗时耗力，而且很多情况下也只能得到大概的最佳谐振频率。

磁场改变了水垢在水体中溶解度的大小，使得水中带电粒子增减，反映在实验中就是水体电导率值的变化，所以电导率值的变化能够反映除垢的效果。20世纪末，波兰的Drela、Falewicz和Kuczkowska等就提出了电导率法评定除垢、抑垢性能的试验方法。后来，国内一些学者用该法对多种抑垢剂进行了滴定实验，与现在的化工行业标准(鼓泡法)相比，该方法操作简单，相对误差小，评定时间短，是一种值得推广的抑垢性能评价方法。本文拟借用电导率方法，研究在电磁场作用下不同电磁频率对抑垢效果的影响，探求最佳频率点，以满足对电磁抑垢性能评定的需求。

发明内容

发明目的：为了克服现有的电磁除垢仪器无法针对不同水质判断最优谐振频率并存在效率低下的问题，本发明提供一种基于滞环比较法的电磁除垢防垢方法。

本发明的另一目的是提供一种基于滞环比较法的电磁除垢防垢装置。

技术方案：一种基于滞环比较法的电磁除垢防垢方法，包括以下步骤：

(1)设定频率上限、频率下限、初始频率f_A及变化步长Δf；单片机控制器执行初始化程序，并发送指令启动高频信号发生器、数据采集器工作；

(2)高频信号发生器发出频率为f_A的电磁脉冲，记当前工作点为A点，通过数据采集器测量A点对应的水体的电导率值，记为G_A；上位机向单片机控制器发送信号，在f_A上增加一个Δf，控制高频信号发生器产生频率f_B＝f_A+Δf的电磁脉冲，达到B点，数据采集器采集B点对应的水体的电导率值，记为G_B；在f_A上减去两个Δf，控制高频信号发生器产生频率f_C＝f_A-2Δf的电磁脉冲，达到C点，数据采集器采集C点对应的水体的电导率值，记为G_C；数据采集器将G_A、G_B、G_C的值传递给上位机；

(3)上位机将G_A、G_B、G_C进行比较：若G_A≥G_C且G_B≥G_A，则将f_A加上Δf更新A点电磁脉冲的频率；若G_A≤G_C且G_B≤G_A，则将f_A减去Δf更新A点电磁脉冲的频率；若G_A＜G_C且G_B＞G_A，则当G_C＞G_B时，则将f_A减去Δf更新A点电磁脉冲的频率，则当G_C＜G_B时，则将f_A加上Δf更新A点电磁脉冲的频率；重复进行频率扰动，直到出现G_A＞G_C且G_B＜G_A，此时的A点记为局部最大电导率点；

(4)重复步骤(2)至步骤(3)，若G_A＞G_C且G_B＜G_A，则A点仍是最大值点，减小步长Δf，执行步骤(5)；否则继续增或减Δf进行频率扰动，直到G_A＞G_C目.G_B＜G_A；

(5)重复步骤(2)至(4)，直到Δf＜＝1时停止循环扰动，此时的f_A即为全局最优频率；

(6)上位机向单片机控制器发送信号控制高频信号发生器产生电磁脉冲，高频信号发生器以全局最优频率产生电磁脉冲对水体进行除垢。

优选的，设频率上限为f_max，频率下限为f_min，步骤(1)中的初始频率及变化步长为：

f_A＝(f_min+f_max)/2)

Δf＝(3/4)*f_A。

初始频率设为频率上限与频率下限的中间值，更加更方便寻找最优频率点。

优选的，所述步骤(4)中减小步长Δf是以原来Δf的3/4更新Δf。

优选的，所述步骤(1)中设定的频率下限为200Hz，频率上限为20MHz。可以根据实际情况自行设定。

优选的，测量水体的电导率的同时，还对水体温度进行测量。排除温度变化对水体电导率的影响。

优选的，每次更改电磁脉冲的频率后，数据采集器多次采集水体的电导率，至水体的电导率趋于稳定时，才将稳定的电导率值作为更改频率后水体的电导率值。防止频率突然改变后水体的电导率还未稳定测得的数值不准确。

一种基于滞环比较法的电磁除垢防垢装置，包括数据采集器、单片机控制器、高频信号发生器、上位机，所述数据采集器与上位机电连接，数据采集器用于采集水体的电导率并传递至上位机；上位机包括存储器和处理器，其中所述存储器存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时能够实现自动调整电磁脉冲的频率，并通过单片机控制器控制高频信号发生器产生相应频率的电磁脉冲。

优选的，所述数据采集器包括电导率传感器，所述电导率传感器位于待处理水体的中心。这样能够使电导率传感器测得当前水体的电导率值与当前水体真实的电导率值趋于一致。

优选的，所述数据采集器还包括数字式温度传感器，数字式温度传感器用于测量水体温度。

有益效果：本发明提供一种基于滞环比较法的电磁除垢防垢方法及除垢防垢装置，使电磁除垢仪器能够适应不同环境的水体，能够在不同环境水体自行调整除垢频率以达到最佳除垢效果。该方法可以很快找到局部的极值，运算速度快，应用起来简单、效率高。很适合对电磁除垢系统这种非线性系统进行扫频寻优，使输出频率可以有效跟踪水体的谐振频率，并自动调整频率以匹配水体的谐振频率，以达到最佳的除垢效果；适应性好，除垢范围更为广泛，不局限于单一环境的水体，应用范围更广；采用滞环比较法，避免了因待处理水体的电导率值与电磁脉冲频率的曲线不够理想，而误把局部最优频率作为全局最优频率的问题。

附图说明

图1为未加磁场的100ml蒸馏水+5mg碳酸钙电导率变化情况；

图2为加磁场作用的100ml蒸馏水+5mg碳酸钙电导率变化情况；

图3为不同电磁场频率下水样电导率曲线图；

图4为本发明的基于滞环比较法的电磁除垢防垢装置图；

图5为理论上待处理水体的电导率值与电磁脉冲频率的曲线；

图6为实际上待处理水体的电导率值与电磁脉冲频率的曲线；

图7为本发明的下位机主流程图；

图8为本发明的上位机主流程图；

图9为基于滞环比较法的9种情形的示意图；

图10为本发明算法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所述，未加磁场与加电磁场作用下100ml蒸馏水+5mg碳酸钙电导率变化情况比较。100ml蒸馏水+5mg碳酸钙水样在不加电磁场的情况下3小时内电导率值的变化很小，变化只有1.5μS/cm，而在施加电磁场作用下，同样水样3小时内电导率值的变化接近10μS/cm，可见电磁场能够改变水体的电导率值。

外加交变磁场时，磁场的交变作用引发水粒子的宏观有序振动，分解一部份水分子，使得电磁水中导电离子摩尔浓度大于原水的导电离子摩尔浓度，从而导致电磁水电导率的提高。

如图3所述不同电磁场频率下水样电导率曲线图，水样的电导率值随频率增大而呈增大趋势，当频率超过一定值时趋于平缓，可见磁场的频率同样影响水样电导率值的大小。

电磁除垢系统是一个复杂的非线性系统，温度值和电导率对于输出频率的影响无法十分准确地进行数学描述，只能通过一系列的实验，得出一个相对性的结论。因此当水体的共振频率带宽一旦确定后，采用滞环比较法根据温度值和电导率的变化来调整水处理装置的电磁脉冲频率输出会存在很大优势。

如图4所示，基于滞环比较法的电磁除垢防垢装置，包括数据采集器4、单片机控制器5、高频信号发生器3、上位机6，所述数据采集器4与上位机6电连接，数据采集器4用于采集水体的电导率并传递至上位机6；上位机6包括存储器和处理器，其中所述存储器存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时能够实现自动调整电磁脉冲的频率，并通过单片机控制器5控制高频信号发生器3产生相应频率的电磁脉冲。

所述数据采集器4包括电导率传感器和数字式温度传感器，所述电导率传感器位于待处理水体的中心，如图4所示，数据采集器4安装在水槽2的中心处，即水体的中心区域，这样能够使电导率传感器测得当前水体的电导率值与当前水体真实的电导率值趋于一致。工业管道中水体主要为循环水，为了模拟工业管道中水体的动态循环，特安装水泵1，水泵1的作用主要是使水体循环运行起来，与工业现场保持一致。测量水体的电导率的同时，还对水体温度进行测量，数字式温度传感器就是用来测量水体温度，测量出的温度主要用于电导率的温度补偿计算。溶液的电导率与温度密切相关，温度发生变化时，电解质的电离度、溶解度、离子迁移速度、溶液黏度等都会发生变化，电导率也会变化。温度升高，电导率增大。测量出的温度主要用于电导率的温度补偿计算。电导率仪的温度补偿就是为了克服温度的影响，使得溶液在不同温度下的电导率具有可比性，以满足各行各业比对或控制指标的需要。

所述高频信号发生器3是用于直接除垢的装置，其可产生200Hz～20MHz电磁脉冲频率。高频信号发生器3的驱动是通过功率放大器来实现的。

所述单片机控制器5采用MSP430单片机，在保证超低功耗的前提下有较高的处理能力及运算速度。系统上电之后，单片机控制器5便会执行数据采集和控制初始化程序，单片机控制器5会给数据采集器4、高频信号发生器3和功率放大器发送指令启动。初始化程序执行完毕之后，单片机控制器5进入主程序开始循环执行，数据采集器4间隔一段时间采集水体当前参数，并将数据传递给上位机6处理。同时单片机控制器5也接收上位机6的指令调整高频信号发生器3的频率。

所述上位机6系统用于接收数据采集器4采集到的水体当前参数，并对其进行处理以判断最佳的电磁脉冲除垢频率，之后上位机6便会对单片机控制器5发出指令以调整高频信号发生器3的电磁脉冲除垢频率。

如图6是实际情况下待处理水体的电导率值与电磁脉冲频率的曲线。由于实际中的电导率值与电磁脉冲频率受温度、PH值、电磁场强度的影响并不像理想图像图5一样严格光滑，总会有一些轻微的凹凸起伏的现象。所以一般的基于滞环比较法的局部寻优算法，必然会导致最优除垢频率陷入局部最优而不是全局最优的情况。为避免这一情况，本实施例提出基于滞环比较法的电磁除垢防垢方法，如图7、8、10所示，包括以下步骤：

(1)设定频率上限f_max、频率下限f_min、初始频率f_A及变化步长Δf；具体数值可以根据实际情况人为设定，比如本实施例中将f_min设为200Hz；f_max设为20MHz；初始频率及变化步长分别为：

f_A＝(f_min+f_max)/2)

Δf＝(3/4)*f_A

单片机控制器执行初始化程序，并发送指令启动高频信号发生器、数据采集器工作；

(2)高频信号发生器发出频率为f_A的电磁脉冲，记当前工作点为A点，通过数据采集器测量A点对应的水体的电导率值，记为G_A；上位机向单片机控制器发送信号，在f_A上增加一个Δf，控制高频信号发生器产生频率f_B＝f_A+Δf的电磁脉冲，达到B点，数据采集器采集B点对应的水体的电导率值，记为G_B；在f_A上减去两个Δf，控制高频信号发生器产生频率f_C＝f_A-2Δf的电磁脉冲，达到C点，数据采集器采集C点对应的水体的电导率值，记为G_C；数据采集器将G_A、G_B、G_C的值传递给上位机；

(3)以A点为中心，左右各取一点C点和B点，形成滞环，基于滞环观察法对最大电导率进行跟踪，上位机将G_A、G_B、G_C进行比较，可以得到图9所示的九种情形：若G_A≥G_C且G_B≥G_A，则将f_A加上Δf更新A点电磁脉冲的频率(保持正向扰动)，见图9的(a)(b)(c)(d)；若G_A≤G_C且G_B≤G_A，则将f_A减去Δf更新A点电磁脉冲的频率(保持反方向扰动)，见图9的(d)(e)(f)(g)；若G_A＜G_C且G_B＞G_A，如图9(i)，则需要再分两种情况，当G_C＞G_B时，则将f_A减去Δf更新A点电磁脉冲的频率，则当G_C＜G_B时，则将f_A加上Δf更新A点电磁脉冲的频率；重复进行频率扰动，直到出现G_A＞G_C且G_B＜G_A，如图9(h)此时的A点记为局部最大电导率点；如果出现f_B大于上限频率时，则取上限频率为f_B，如果出现f_C小于下限频率时，则取下限频率为f_C；

(4)重复步骤(2)至步骤(3)，若G_A＞G_C且G_B＜G_A，则A点仍是最大值点，减小步长Δf，以原来Δf的3/4更新Δf，即新的步长为原步长的3/4。执行步骤(5)；否则继续增或减Δf进行频率扰动，直到G_A＞G_c且G_B＜G_A；

(5)重复步骤(2)至(4)，直到Δf＜＝1时停止循环扰动，此时的f_A即为全局最优频率；

(6)上位机向单片机控制器发送信号控制高频信号发生器产生电磁脉冲，高频信号发生器以全局最优频率产生电磁脉冲对水体进行除垢。

每次更改电磁脉冲的频率后，数据采集器多次采集水体的电导率，至水体的电导率趋于稳定时，才将稳定的电导率值作为更改频率后水体的电导率值，防止频率突然改变时水体的电导率还没有稳定导致测的数据不准确。

在该方法实现过程中，如果发现一处G_A＞G_C且G_A＞G_B时，系统并不会立即判定当前电磁脉冲频率为最优频率，而是记录下当前的电导率值及电磁脉冲频率，系统继续向前运行直到遇到下一处G_A＞G_C且G_A＞G_B，此时系统会继续向前运行。系统会重复前一过程直至找到除垢最优的电磁脉冲频率。如果系统向前运行一段时间之后没有发现优于当前记录电导率值或者发现不了其他情形时，系统便会选取当前所记录的频率值为全局除垢最优值。

本发明的滞环比较法与其他比较法(如爬山法)相比具有以下优点：

1)爬山法逐点检测，寻求局部最优值，最后通过比较得出全局最优值，滞环比较法快速趋向最大值，然后逐步逼近找到最大值。

2)相比于爬山法从小到大逐步扫频，滞环比较法通过改变步长能够实现在全局范围内快速找到最优除垢频率，跟踪效果明显。

3)在水处理过程中，电导率出现频繁波动，采用爬山法，会造成数据干扰，增加处理复杂度，而采用滞环比较法在很大程度上可以忽略微波干扰，就稳定性而言，滞环比较法更具有优势。

4)在上下限频率差距甚大时，就处理数据量方面，滞环比较法相比于爬山法而言可以减少对数据量的处理。