一种基于自动检测控制的椭圆超声波阻垢除垢装置及方法

1.本发明涉及超声波阻垢除垢技术领域，尤其涉及一种基于自动检测控制的椭圆超声波阻垢除垢装置及方法。


背景技术：

2.随着超声波阻垢除垢技术在换热、采油、锅炉等系统中的广泛应用，对不同结构设备的超声波阻垢除垢技术要求越来越高，特别是管壳结构内外管壁的精准阻垢除垢。传统的超声波阻垢除垢技术难以针对不同管壳结构、污垢种类及沉积形状进行精准除垢。
3.椭圆超声振动广泛用于机械加工中，具有改善表面质量、减小切削力、提高加工效率等优势。研究发现椭圆超声振动应用于管壳结构阻垢除垢中，管壳质点产生椭圆轨迹运动，增强超声波剪切效应，提高除垢效率。
4.目前，很多学者采用一维超声振动用于阻垢除垢，其对于复杂管道结构、粘滞强污垢去除效果欠佳。另一方面，在阻垢除垢过程中，流体特性、污垢等参数变化多被忽略，且不能基于参数变化在线调控超声波功率。即所有流体特性和污垢均采用同一超声功率，会出现超声能量过小导致污垢不能完全去除或超声能量过大导致管壁被空化效应侵蚀损耗。
5.对于复杂管壳结构、多种类污垢的精准阻垢除垢，设计和开发能够针对管壳结构、流体特性及污垢形状在线检测并调控超声功率精准阻垢除垢装置已成为亟需解决的关键技术问题。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供了一种基于自动检测控制的椭圆超声波阻垢除垢装置及方法，该基于自动检测控制的椭圆超声波阻垢除垢装置包括：管壳结构、椭圆超声振动阻垢除垢系统和超声波信号检测控制系统，所述管壳结构包括法兰、外部壳体和位于外部壳体内的多根管道，所述椭圆超声振动阻垢除垢系统包括固定于法兰的若干垂直管道超声波发射器、若干平行管道超声波发射器、第一超声电源和第二超声电源，所述超声波信号检测控制系统包括外置超声波接收器、内置超声波接收器和超声波检测控制器，所述外置超声波接收器固定于外部管壳的外表面，所述内置超声波接收器固定于管道的外表面。
7.进一步地，所述第一超声电源同时与若干垂直超声波发射器连接，第二超声电源同时与若干水平超声波发射器连接，所述超声波检测控制器的接收信号端分别与外置超声波接收器和内置超声波接收器连接，其控制输出端口分别与第一超声电源和第二超声电源连接，所述超声波检测控制器包括检测模块和控制模块，检测模块用于接受超声波信号，并将其转换为电信号，然后将电信号转换为数字信号，控制模块用于对第一超声电源和第二超声电源进行调控。
8.进一步地，所述流体特性包括流体温度和流体流速，所述污垢去除状态包括管壁污垢附着厚度和液体中污垢浓度。
9.进一步地，所述若干垂直管道超声波发射器包括第一超声波发射器、第二超声波
发射器、第三超声波发射器和第四超声波发射器，均垂直焊接于法兰的上表面，所述若干平行管道超声波发射器包括第五超声波发射器、第六超声波发射器、第七超声波发射器和第八超声波发射器，均垂直焊接于法兰的侧表面。
10.进一步地，所述管壳结构还包括位于外部壳体的进水口和出水口，外部壳体与管道之间存在易结垢流体，管道中存在纯净流体。
11.进一步地，每个垂直管道超声波发射器和平行管道超声波发射器均包括通过螺栓连接的磁致伸缩换能器和变幅杆，每一个变幅杆均焊接于法兰上表面和侧表面。
12.进一步地，所述外置超声波接收器和内置超声波接收器均为陶瓷超声波检测换能器。
13.一种基于自动检测控制的椭圆超声波阻垢除垢方法，包括如下步骤：
14.步骤s1：将若干垂直超声波发射器、第二超声波发射器、第三超声波发射器和第四超声波发射器焊接于法兰的上表面，若干水平超声波发射器、第六超声波发射器、第七超声波发射器和第八超声波发射器分别焊接于法兰的侧表面，每个水平超声波发射器的焊接位置与对应的每个垂直超声波发射器的焊接位置处于同一平面；
15.步骤s2：将外置超声波接收器固定于外部壳体外表面，内置超声波接收器固定于内部最外围管道的外表面；
16.步骤s3：第一超声电源同时与若干垂直超声波发射器连接，第二超声电源同时与若干水平超声波发射器连接；
17.步骤s4：超声波检测控制器的接收信号端分别与外置超声波接收器和内置超声波接收器连接，其控制输出端口分别与第一超声电源和第二超声电源连接；
18.步骤s5：开启第一超声电源、第二超声电源；第一超声电源和第二超声电源分别向若干垂直超声波发射器和若干水平超声波发射器输出两个频率相同且振动幅值和振动相位差连续可调的超声波信号；
19.步骤s6：开启超声波检测控制器，超声波检测控制器包括检测模块和控制模块；检测模块通过外置超声波接收器和内置超声波接收器接受超声波信号，首先将超声波信号转化为电信号，然后将电信号转换成数字信号，通过数据分析得到当时的检测信息：流体特性及污垢去除状态；
20.步骤s7：基于上述检测信息，通过所述控制模块分别对第一超声电源和第二超声电源进行调控，即调整若干垂直超声波发射器和若干水平超声波发射器的频率、振动幅值和振动相位差，使超声波发射器对当时流体特性与污垢状态输出对应频率、振动幅值和振动相位差的椭圆振动超声波信号，完成流体特性和污垢实时状态下的阻垢除垢。
21.进一步地，所述垂直超声波发射器包括第一超声波发射器、第二超声波发射器、第三超声波发射器和第四超声波发射器，所述水平超声波发射器包括第五超声波发射器、第六超声波发射器、第七超声波发射器和第八超声波发射器。
22.进一步地，相邻垂直超声波发射器或水平超声波发射器的夹角为90
°
。
23.进一步地，所述流体特性包括流体温度和流体流速，所述污垢去除状态包括管壁污垢附着厚度和液体中污垢浓度。
24.本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
25.(1)本发明基于垂直于水平安装于法兰的超声波发射器，将垂直超声波发射器、水
平超声波发射器输出的频率和相位差连续可调的高频型号耦合得到椭圆超声振动模态，管壳结构中任一质点将产生椭圆轨迹，对壁-液界面产生多维高速漩涡，增强了阻垢能力；管壁的椭圆振动对附着污垢进行二维微冲性剪切，提高了污垢破碎、松化脱落的效率。
26.(2)本发明中超声波检测控制器分为检测模块与控制模块，通过内外超声波接收器接收回波信号，基于检测模块对接收信号进行分析处理，得到当时流体特性及污垢状态，基于控制模块对第一超声电源、第二超声电源进行调控，使多个超声波发射器输出对应超声工具和椭圆轨迹的超声波信号。该技术能够针对实时流体特性和污垢状态进行精准阻垢除垢，从而避免由于超声能量小导致的污垢去除率低或超声能量大导致管壁侵蚀受损。
附图说明
27.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
28.图1是本发明实施例中一种基于自动检测控制的椭圆超声波阻垢除垢装置的结构示意图。
29.图2是本发明实施例中一种基于自动检测控制的椭圆超声波阻垢除垢装置的剖面示意图。
30.其中，1-第一超声电源，2-第一超声波发射器，3-第二超声波发射器，4-第二超声电源，5-外置超声波接收器，6-超声波检测控制器，7-第五超声波发射器，8-第四超声波发射器，9-第八超声波发射器，10-第六超声波发射器，11-第七超声波发射器，12-法兰，13-第三超声波发射器，14-内置超声波接收器，15-磁致伸缩换能器，16-变幅杆，17-进水口，18-外部壳体，19-管道，20-质点椭圆轨迹，21-外部壳体与管道间流体，22-管道内部流体，23-出水口。
具体实施方式
31.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
32.如图1-2所示，本发明的实施例提供了一种基于自动检测控制的椭圆超声波阻垢除垢装置及方法，椭圆超声波由椭圆超声波发生器产生，椭圆超声波发生器是指：一个垂直管道超声波发生器(如第二超声波发射器3)与同轴线的一个平行管道超声波发生器(如第六超声波发射器10)同时施加超声振动，形成一个垂直管道平面上的椭圆振动。该基于自动检测控制的椭圆超声波阻垢除垢装置包括：管壳结构、椭圆超声振动阻垢除垢系统、超声波信号检测控制系统、两个超声电源和一个超声波检测控制器6，所述管壳结构包括法兰12、外部壳体18、位于外部壳体内的多根管道19、进水口17和出水口23，外部壳体18与内部管道19之间存在易结垢流体21，内部管道19中存在纯净流体22，所述椭圆超声振动阻垢除垢系统包括固定于法兰12的若干垂直管道超声波发射器和若干水平管道超声波发射器，所述超声波信号检测控制系统包括外置超声波接收器5和内置超声波接收器14，所述外置超声波接收器5固定于外部管壳18的外表面，所述内置超声波接收器14固定于管道19的外表面。根据外部壳体18及管道19长度可设置多个外置超声波接收器和多个内置超声波接收器。一个或多个内置超声波接收器，均安装在最外圈的管道外表面上，可以通过粘黏的方式安装。
33.如图1所示，所述椭圆超声振动阻垢除垢系统包括四个垂直超声波发射器和四个
水平超声波发射器，分别焊接于法兰12的上表面和侧表面，所述若干垂直于管道的垂直超声波发射器包括第一超声波发射器2、第二超声波发射器3、第三超声波发射器13和第四超声波发射器8，相邻间的夹角为90
°
；所述若干水平超声波发射器与管道19水平，具体包括第五超声波发射器7、第六超声波发射器10、第七超声波发射器11和第八超声波发射器9。
34.两个超声电源分别为第一超声电源1和第二超声电源4，所述第一超声电源1同时与第一超声波发射器2、第二超声波发射器3、第三超声波发射器13和第四超声波发射器14连接，第二超声电源4同时与第五超声波发射器7、第六超声波发射器10、第七超声波发射器11和第八超声波发射器连接9，所述超声波检测控制器6的接收信号端与外置超声波接收器5和内置超声波接收器14连接，其控制输出端口与第一超声电源1和第二超声电源4连接。
35.如图1至图2所示，所述超声波信号检测控制系统包括外置超声波接收器5和内置超声波接收器14，所述外置超声波接收器固定于外部壳体18外表面；所述内置超声波接收器固定于内部管道19外表面。第一至第八超声波发射器均包括磁致伸缩换能器15和变幅杆16，并通过螺栓连接，每一个变幅杆16均焊接于法兰12上表面和侧表面。所述外置超声波接收器5和内置超声波接收器14均为陶瓷超声波检测换能器。
36.本发明基于上述自动检测控制的椭圆超声波阻垢除垢装置实现椭圆超声波阻垢除垢方法至少包括如下步骤：
37.步骤s1：如图1所示，将第一超声波发射器2、第二超声波发射器3、第三超声波发射器13和第四超声波发射器8垂直焊接于法兰的上表面，分别间隔90
°
；第五超声波发射器7、第六超声波发射器10、第七超声波发射器11和第八超声波发射器9分别垂直焊接于法兰12的侧表面，焊接位置与第一超声波发射器2、第二超声波发射器3、第三超声波发射器13和第四超声波发射器位置8分别处于同一平面。
38.步骤s2：如图2所示，将外置超声波接收器5固定于外部壳体18外表面，内置超声波接收器14固定于内部管道19外表面。
39.步骤s3：如图1所示，第一超声电源1分别与第一超声波发射器2、第二超声波发射器3、第三超声波发射器13和第四超声波发射器8连接；第二超声电源4同时与第五超声波发射器7、第六超声波发射器10、第七超声波发射器11和第八超声波发射器9连接。
40.步骤s4：超声波检测控制器6一端口与外置超声波接收器5和内置超声波接收器14连接，另一端口与第一超声电源1和第二超声电源4连接。
41.步骤s5：开启第一超声电源1、第二超声电源4；第一超声电源1向第一超声波发射器2、第二超声波发射器3、第三超声波发射器13和第四超声波发射器8输出两个频率相同且振动幅值和振动相位差连续可调的超声波信号，第二超声电源4向第五超声波发射器7、第六超声波发射器10、第七超声波发射器11和第八超声波发射器9输出两个频率相同且振动幅值和振动相位差连续可调的超声波信号。
42.步骤s6：如图2所示，开启超声波检测控制器6，超声波检测控制器6包括检测模块和控制模块；检测模块通过外置超声波接收器5和内置超声波接收器14接受超声波信号，首先将超声波信号转化为电信号，然后将电信号转换成数字信号，通过数据分析得到当时的检测信息：流体特性及污垢去除状态，所述流体特性包括流体温度和流体流速，所述污垢去除状态包括管壁污垢附着厚度和液体中污垢浓度。
43.步骤s7：基于上述检测信息，超声波检测控制器6的控制模块分别调控第一超声电
源1、第二超声电源4超声波信号，即调整垂直超声波发射器(第一超声波发射器2、第二超声波发射器3、第三超声波发射器13和第四超声波发射器8)和水平超声波发射器(第五超声波发射器7、第六超声波发射器10、第七超声波发射器11和第八超声波发射器9)的频率、振动幅值和振动相位差。使椭圆超声波发射器对当时流体特性与污垢状态输出对应频率、振动相位差的椭圆振动轨迹20超声波信号，完成流体特性和污垢实时状态下的精准阻垢除垢。
44.本发明的有益效果是：
45.(1)本发明基于垂直于水平安装于法兰的超声波发射器，将垂直超声波发射器、水平超声波发射器输出的频率和相位差连续可调的高频型号耦合得到椭圆超声振动模态，管壳结构中任一质点将产生椭圆轨迹，对壁-液界面产生多维高速漩涡，增强了阻垢能力；管壁的椭圆振动对附着污垢进行二维微冲性剪切，提高了污垢破碎、松化脱落的效率。
46.(2)本发明中超声波检测控制器分为检测模块与控制模块，通过内外超声波接收器接收回波信号，基于检测模块对接收信号进行分析处理，得到当时流体特性及污垢状态，基于控制模块对第一超声电源、第二超声电源进行调控，使多个超声波发射器输出对应超声工具和椭圆轨迹的超声波信号。该技术能够针对实时流体特性和污垢状态进行精准阻垢除垢，从而避免由于超声能量小导致的污垢去除率低或超声能量大导致管壁侵蚀受损。
47.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。