一种基于超声波的新型闸门除冰模拟装置

1.本实用新型涉及闸门除冰技术领域，具体涉及一种基于超声波的新型闸门除冰模拟装置。


背景技术：

2.超声波通常是指每秒震动次数大于20000次的声波，即频率大于20khz的一种机械波。当超声波强度比较低的时候，可以作为探测负载信息的媒介，例如超声波测距等，称之为检测超声。当超声波的强度超过一定值的时候，超声波在传播的过程中就会与介质发生相互作用，从而改变介质原有的状态，甚至破坏其性质和结构，这种超声波称为高能超声。超声波具有良好的方向性，穿透能力强，在水中传播的时候会产生空化效应。
3.低温下水结冰是自然界中广泛存在的现象，在低温生物学、工业、材料科学等领域十分重要，如生物组织冷冻保存，水利大坝闸门、飞机、高铁等关键部位的防冰、除冰，输电线路防冰冻灾害等。近年来，随着超声波技术发展逐渐成熟，其也逐渐应用于各种领域，如超声波测距、超声波清洗机、超声波碎石机等。超声波本质上是一种声波，是一种较为清洁环保的技术手段，根据超声波的机械振动、空化等效应，可以达到非热融除冰的目的。
4.目前的水工钢闸门表面往往比较容易结冰，并且难以去除，给安全带来极大的隐患。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的目前的水工钢闸门表面往往比较容易结冰，并且难以去除，给安全带来极大的隐患的问题，提供一种基于超声波的新型闸门除冰模拟装置，该基于超声波的新型闸门除冰模拟装置具有短时间内除去闸门附近的冰层的效果。
6.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于超声波的新型闸门除冰模拟装置，包括模拟水库闸门和冰箱，冰箱内部设置有模拟水库闸门，模拟水库闸门一端电性连接有温度传感器，模拟水库闸门上端设置有钢板，钢板上端设置有压电陶瓷式换能器，压电陶瓷式换能器与超声波发生器电性连接，超声波发生器、冰箱均与电源电性连接。
7.优选的，压电陶瓷式换能器至少设置有两个，且均固定安装在钢板上端。
8.优选的，超声波发生器规格为28khz、1200w
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1500w。
9.优选的，压电陶瓷式换能器规格为28khz 60w。
10.优选的，每四个压电陶瓷式换能器为一个工作单元，且压电陶瓷式换能器之间有间隔，连成正方形，压电陶瓷式换能器通过螺丝和专用胶水粘贴在钢板上，且压电陶瓷式换能器之间设置有导线。
11.优选的，钢板规格为20cm*20cm，厚度为2mm，材质为304号。
12.与现有技术相比，本实用新型提供了一种基于超声波的新型闸门除冰模拟装置，具备以下有益效果：
13.1、本实用新型将其应用到水工钢闸门上面，并设计实验证明了超声波可以在短时间内除去闸门附近的冰层，并且防止闸门再次结冰，并且技术原理较为简单，安装方便，能耗相对于现有除冰方法大大降低；
14.2、本实用新型依据冰的物理化学性质，结合冰在超声波作用下的破坏形式，对超声波与冰的相互作用进行了探究，试验结果显示，超声波除冰具有一定的效果；
15.3、本实用新型利用冰箱内环境(最低温度
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20℃)模拟低温环境，待结冰后，启动超声波振子，超声波振子的振动能量会将冰层击穿，从而达到闸门除冰的目的；
16.该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本实用新型结构科学合理，使用安全方便，为人们提供了很大的帮助。
附图说明
17.图1是本实用新型提出的一种基于超声波的新型闸门除冰模拟装置结构示意图；
18.附图标记说明
19.1、超声波发生器；2、压电陶瓷式换能器；3、温度传感器；4、模拟水库闸门；5、冰箱；6、钢板；7、电源。
具体实施方式
20.以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
21.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
22.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
23.请参阅图1，本实用新型提供一种技术方案：一种基于超声波的新型闸门除冰模拟装置，包括模拟水库闸门4和冰箱5，冰箱5内部设置有模拟水库闸门4，冰箱5作用是模拟低温环境，模拟水库闸门4作用是模拟闸门冬季结冰状况，模拟水库闸门4一端电性连接有温度传感器3，温度传感器3作用是实时探测冰箱内的温度，模拟水库闸门4上端设置有钢板6，钢板6作用是传递超声振动，钢板6上端设置有压电陶瓷式换能器2，压电陶瓷式换能器2作用是将电信号转化为超声振动，压电陶瓷式换能器2与超声波发生器1电性连接，超声波发生器1作用是产生超声波，超声波发生器1、冰箱5均与电源7电性连接，电源7能够提供电量。
24.本实用新型中，优选的，压电陶瓷式换能器2至少设置有两个，且均固定安装在钢板6上端。
25.本实用新型中，优选的，超声波发生器1规格为28khz、1200w
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1500w。
26.本实用新型中，优选的，压电陶瓷式换能器2规格为28khz 60w。
27.本实用新型中，优选的，每四个压电陶瓷式换能器2为一个工作单元，且压电陶瓷式换能器2之间有间隔，连成正方形，压电陶瓷式换能器2通过螺丝和专用胶水粘贴在钢板6上，且压电陶瓷式换能器2之间设置有导线。
28.本实用新型中，优选的，钢板6规格为20cm*20cm，厚度为2mm，材质为304号。
29.本实用新型的工作原理及使用流程：使用时，超声波发生器1作用是产生超声波，压电陶瓷式换能器2作用是将电信号转化为超声振动，温度传感器3作用是实时探测冰箱内的温度，模拟水库闸门4作用是模拟闸门冬季结冰状况，冰箱5作用是模拟低温环境，钢板6作用是传递超声振动，电源7能够提供电量，利用冰箱5内环境(最低温度
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20℃)模拟低温环境，待结冰后，启动超声波振子，超声波振子的振动能量会将冰层击穿，从而达到闸门除冰的目的；
30.超声波除冰装置利用的设计原理是利用超声波的机械效应、热效应以及空化效应。机械效应是指超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成驻波时，悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积；
31.超声振动在冰层中传播时，一方面由于冰层的密度不均匀，超声波在通过冰层时会产生速度差，从而产生剪切力达到除冰效果，另一方面超声振动会带动冰层中的分子发生振动，破坏冰层之间的氢键，从而使冰融化成为自由水分子，超声波在自由水分子中传播时的机械效应使得已经融化的水分子不能继续结冰，并且可以对冰层造成破坏作用；
32.热效应是指在振动和波形传播过程中，均会产生热量，从而可以达到加热法除冰相似的结果。空化效应是超声波在水中传播时具有的独特性质，是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。空化作用一般包括3个阶段：空化泡的形成、长大和剧烈的崩溃。当盛满液体的容器当通入超声波后，由于液体振动而产生数以万计的微小气泡，即空化泡。这些气泡在超声波纵向传播形成的负压区生长，而在正压区迅速闭合，从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸。在气泡被压缩直至崩溃的一瞬间，会产生巨大的瞬时压力，一般可高达几十兆帕至上百兆帕。
33.空化可使气相反应区的温度达到5200k左右，液相反应区的有效温度达到1900k左右，局部压力在5.o5
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10kpa，温度变化率高达10k/s，并伴有强烈的冲击波和时速达400km的微射流。这种巨大的瞬时压力，可以使悬浮在液体中的固体表面受到急剧的破坏；
34.通常将超声波空化分为稳态空化和瞬间空化2种类型：稳态空化是指在声强较低(一般小于10w/cm)时产生的空化泡，其大小在其平衡尺寸附近振荡，生成周期达数个循环。当扩大到使其自身共振频率与声波频率相等时，发生声场与气泡的最大能量耦合，产生明显的空化作用。瞬态空化则是指在较大的声强(一般大于10w/cm)作用下产生的生存周期较短的空化泡(大都发生在1个声波周期内)；
35.超声波作用于液体时可产生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭，由于超声空化作用，当超声波通过已经融化的水分子之后，会在冰水混合界面对
冰层造成一定的破坏，使得除冰效果达到良性循环。
36.以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于此。在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本实用新型所公开的内容，均属于本实用新型的保护范围。