（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm7的智能电磁水处理装置的研制.pdf

摘要 摘要 循环水由于具有良好特性，所以被广泛的应用于工业生产和人们的日常生活。 随着生产的不断发展和人们生活水平的不断提到，循环水系统越来越广泛的得以应 用。可以说循环水系统已经融入到我们日常生产生活的各个方面。但是，污垢作为 自然界最为常见的现象，给循环水系统带来了严重的危害。尤其是高温的循环水系 统，其结垢现象更为严重。因此，本文以高温的循环水系统为对象，开发研制了电 磁式水处理平台，并对交变电磁场在高温循环水抗垢方面的作用做了一定的研究。 首先，基于a r m 7 微处理器l p c 2 2 1 0 研制了可调频调压的智能电磁式水处理 平台。该平台主要包括基于a r m 7 的主控模块，基于a d 9 8 5 0 的可调频率输出模块， 基于a d 7 8 6 2 的模拟量反馈模块，基于p w m 和i g b t 的可调电压模块，功率放大 模块，包括液晶、键盘的人机交互模块以及基于串口的上下位机通信模块等 在此基础上，与环能学院传热与能源利用北京重点实验室、抗垢实验室合作， 搭建了动态循环水抗垢实验平台。利用该平台进行了硬度与电解率实验、频率与功 率实验以及循环抗垢实验。并对实验获得的数据和收集到的结垢样本进行了分析， 研究表明： ( 1 ) 循环水硬度与电导率问存在一定的对应关系。在对c a c 0 3 晶体进行了扫 描电镜观察后，我们发现，当c a c 0 3 晶体结构较大时，循环水硬度较小，相应的电 导率较小；反之亦然。再次印证了硬度与电导率之间的关系。 ( 2 ) 在现有试验条件下，对循环水分别进行l o k h 加5 0 0 赴和2 0 0 h z 5 k h z 的扫频操作，未发现电磁水处理平台输出的电流( 功率) 与循环水的硬度间存在明 显联系。 ( 3 ) 不同频率电磁场对水垢形成过程均有一定的影响，但效果不同。其中 5 0 0 k h z 、3 0 0 k h z 、1 0 0 k h z 的电磁场能较为明显的促进c a c 0 3 晶体的生长，使其 形态呈现出一种介于文石和方解石的中间体，尤其是3 0 0 k h z 的电磁场效果最为明 显，晶体完全呈现出方解石的形态；5 k h z 和1 k h z 的电磁场能够阻碍c a c 0 3 晶体 的析出，抑制晶体的生长，并使结垢诱导期变长；3 k h z 和0 5 k h z 的电磁场也能在 一定程度上阻碍c a c 0 3 晶体的析出，但效果不如5 k h z 和i k h z 明显。不过c a c 0 3 晶体结构不一致，水垢结构松散呈絮凝状。4 0 0 k h z 、2 0 0 k h z 、5 0 k h z 和0 2 k h z 的电磁场也能过在一定程度上改变c a c 0 3 晶体的形态，但效果不明显。 ( 4 ) 对循环水进行抗垢除垢处理的过程中，将电磁场频率锁定在某一特定值 是非常有必要的同时指出，在这个过程中采用扫频操作是不妥当的。 关键词：a r m 7 ；电磁场；抗垢；循环水系统；变频；脉宽调制 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e rr e e i r e u l a t i n gs y s t e mh a sb e e nw i l d l yu s e di ni n d u s t r ya n do e v e r y d a yl i v e s w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y , t h ew a t c r 坤曲n d a t i n gs y s t e mw i l lb eu s e dm o t e 柚dm o w i l d l y b u t f o u l i n ga l w a y sd oh a r mt ot h ew a t e rr e e i r e u l a l i n gs y s t e me s p e c i a l l ya th i g ht e m p , s t a t m t h ep a p e r s 如t h eh i g ht c p c 日t i l 他w a l e rr e e i r e u l a t i n gs y s t e m 笛as t u a y i n go b j e c t f i r s t , w cd e v e l o p e daa d v a n c e de l e c t r o m a g n e t i cw a t e rp r o e , e s , s o rw h i c hi se o n s l i t l a e db ym a i n b o a r db a s e d p h i l i pa r m 7l p c 2 2 1 0 , t h ef r e q u e n c ym o d u l eb 删a d 9 8 5 0 t h ef e e d b a c k m o d u l eo f a n a l o gs i g n a l sb a s e do na d 7 8 6 2 t h ev o l t a g em o d u l eb a s e do np w m 锄di g b t , t h ei x ) v e l m a g n t 母m o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do l l 蛔, b o a r d a n du a r t , e r e w es e t 叩a _ c l y m m i ca a t i - f o u l i n ga 【p 咖e 删s y s t e mw i t ht h ec o o p e r a t i o no fc o l l e g eo f 曲v i 咖矗i 咖a n de n e r g y 酆| g i 眦料i d g w i l ht h eh e l po ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m , w ed i ds 伽e 甲钉i m 础o naw a t e rm i m l l a l i n gs y s t e ml l t5 5 1 2 s u c h t h ee x p e r i m e n t sf o rg e t t i n gt h e r e l a t i o n s h i po f h a r d n e a n ds o h x l i o n sc o n d u c t a n c ev a l u e ，t h ee x p c r 佃e n t sf o rg e t t i n gt h er e l a t i o n s h i p o f f r e q u e n c y , h a l d l l c s sa n dt h ee l n - t c n to f p o w e rm a g n i f ym o d u l e , t h ee x p e r i m e n t so f e l e c t r o m a g n e t i c n n t i - f o u l i n g ( e a r ) a n dt h ee x p c r i m e t l to f s d a n ge l e c t r o nm i e r o s e o l ( s e m ) f o rg e t 向a gt h ep h o t m o f c a c 0 3e r y s t a l l o i d w eg o ts o m er e s u l t sb ya n a l y 凼gt h er , a r a m e 蜘o f 血0 s ea 【p 啊i m 即晦( 1 ) t h e r ea 坤ae s p e c i a l r e l a t i o n s h i pb e w e e nt h eh a r d n e a n d t h es o l u t i o n se o n d u e t a n v a l u e ( 2 ) t h e r ei sn o tas p e c i f i c r e l a t i o n s h i pa m o n gf r e q u e n c y , h a r d n 缁o f w a t e r 柚do u t p u tp o w e ro f t h ep o w e rm a g n i f ym o d u l e ( 3 ) t h et e s t d l 姻i 啪町h a v ed i f f e r e n ti n f l u e n c eo nt h ec l t y s t a l l o i do f c 啦岛t h ee l e e t r o m a g i l c t i ef i e l d o f 5 0 0 k n z , 3 0 0 9 a - l z , i o o k h zc 锄a e e e l e r a t e t h e g r o w t h o f c a c o je l t y s t a l l o i d , a n dc h g p i t ss h a l e t h ed e e t r o m a g 删ef i e l do f5 k h z , i k h zc r e s t r a i nt h eg r o w t ho fc a c 0 3c r y s t a l l o i d , s oi t r e s t r a i nt h ef o l a i n go nac e r t a i na 曲呲t h ed e e t r o m a g n e t i ef i e l do f3 k i - l z , 0 5 k h za sw e l la s 5 0 0 k h z , 3 0 0 k h z , l o o k i - i z c h a n g ef i l es h a p eo f c a c 0 3e r y s t a l l o i d , 曲ef o u l i n gm l o o s en n d 啪 b ew i p lo f l e a s u y a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l do f 4 0 0 k h z , 2 0 0 k h z , 5 0 k h z , 0 2 k h zh g v et i t t l e i n f l u e n c eo i lt h es h a p eo f c a c 0 3c r y s t a l l o i d k e y w o r d s - - a r m 7 ；e l 嘶r o m a g n e t i ef i e l d ；a n t i f o u l i n g ；w 撕m c i 佗u l 商1 1 9w s t m ； 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 立王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：匀鎏鱼盘日期：2 丑：p 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 立王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲馥盘芷导师躲互丝兰魄冱如 第1 章绪论 1 1 循环水系统应用概况 第1 章绪论 工业生产中，大多数是用水作为传热冷却介质的。这是由于水具有许多特点： ( i ) 化学性质稳定性好，不易分解；( 2 ) 水的沸点较高，在通常使用条件下，不 致气化；( 3 ) 水的比热容较大，较小的温度变化就会吸收或者释放较大的热量；( 4 ) 水在经常使用的温度范围内，不会产生明显的膨胀或者压缩；( 5 ) 水的来源广泛， 流动性好，易于运输及分配，并且价格相对低廉。目前，在冶金工业中使用大量 的水来冷却高炉、平炉、回转炉、电炉等各种加热设备；在炼油、化肥、化工、 水泥等生产中使用大量的水来冷却半成品和成品；在发电厂、热电站中，使用大 量的水来冷凝汽轮机回水路；在纺织厂、化纤厂中，使用大量水来冷却空调系统 及冷冻系统。 我国城市居民冬季采暖用的暖气，基本上都是以水作为循环介质来传递热量， 满足采暖要求的。近年来，随着人们对生活和生产环境要求的提高，空调系统的 应用也越来越普遍。而在大型空调系统，尤其是中央空调系统中，作为二次介质 流入每个用户房间风级盘管的，正是循环水。 可以说，循环水系统已经广泛应用于社会生产、生活的方方面面，与我们的 生产、生活息息相关。所以有必要对循环水系统作深入的研究，了解其特性，探 索其处理方法。 1 2 循环水系统杂质分析及其危害 我们以大型中央空调的循环水系统为例，分析其水系统中的杂质构成及其危 害。空调系统中所涉及的各种热量，都必须通过冷凝器来散发的。水冷凝器所用 的水通常是经过冷却塔进行循环的，随着冷却塔工作过程中水的不断蒸发，水槽 中为溶解的固体杂质的浓度将会不断升高，如不采取措施就会形成结垢和淤泥。 如果在冷凝器传热表面以上及冷却塔填充表面形成水垢或者沉积物，降低系统表 面的传热效率，降低冷却塔系统的性能，增大系统能耗。另外，循环冷却水环境 为微生物的生长、繁殖提供了优越的条件，微生物会产生大量粘泥，很容易产生 污垢，污垢的环境又容易滋生微生物，形成恶性循环。循环水系统中细菌、污垢 带来的危害主要有以下几个方面： ( 1 ) 由于温度适宜，很易引起腐蚀性细菌及其他种类细菌的繁殖，导致管道 局部腐蚀穿孔。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 凝结水系统由于细菌的繁殖，把灰尘等粘结成团，堵塞凝结水管。 ( 3 ) 污垢在循环水管内的沉积，降低了水管截面积，增大了水流阻力，降低 了冷却水的流量。 ( 4 ) 由于各种垢的导热率很低，如表1 1 所示，因而明显降低了热交换器的 能力，增加了能耗，减低了生产效率。 表1 1 各种物质的导热率 t 曲l e l it h ed i f f e r e n c ei nh e a tm m s m i s s i o no f m a t e r i a l 物质 导热率 w ( m k ) 】 物质 导热率 w ( m - k ) 】 碳酸盐为主的水垢o 3 5 一o 5 2铜2 8 5 硫酸盐为主的水垢 0 4 3 _ 一1 7 2碳钢 3 4 5 磷酸盐为主的水垢0 4 3 _ o 6 0不锈钢1 3 ( 5 ) 需要定期停车清洗，降低了设备连续运行的周期，影响设备的使用率。 ( 6 ) 增加了清洗费用，包括清洗的药剂、材料、设备的费用，提高了设备的 运行成本。并且，清洗过程中难免对设备造成损伤，缩短了设备的运行寿命。 因此，做好微生物的控制和系统的抗垢处理是中央空调系统日常维护的重要 内容。 另据有关调查表明，在实际生活和工程领域中9 0 以上的换热设备都存在不 同程度的污垢问题i l 】。而全世界每年因污垢而造成的工业损失约占工业生产总值的 0 3 1 2 1 。据t h a c k c 0 7 对英国1 9 7 7 年国民经济因污垢而增加的费用( 包括投资增加 的费用、额外燃料费用、运行维护费用以及产品减少的费用) 的粗略估算，得出 的结果高达近5 亿英镑，约占当年英国工业生产总值的0 3 唧 据北美经济可行性会议提供的数据表明1 4 】，仅美国发电厂每年因冷却塔水垢问 题造成的电能损失达1 8 5 g w h ，由此导致的经济损失高达1 0 0 万美元另据不完 全统计，我国每年因腐蚀、结垢而报废的换热器达万台左右，仅钢材就消耗5 万 吨以上，直接经济损失达二亿元以上此外根据国家有关部门统计，每年因水垢 引起的机件报废，直接损失达十多亿元1 4 】 由此可见，生产、生活用水中发生结垢，腐蚀、生物粘泥，对所使用的设备 有很大的危害，导致生产效益下降，费用升高。因此，需要采用合理的水处理手 段对循环水加以处理，达到所要求的用水指标 第l 章绪论 1 3 循环水处理技术现状 1 3 1 杀菌灭藻手段 细菌及藻类在生命活动中，细胞膜按照内外特定的电位分布规律，有条不紊 地进行化学转换，维持正常的营养和新陈代谢。任何一种杀菌方法都要以破坏菌 体自身的生理特性或影响其正常的新陈代谢。 l - 3 1 1 化学方法 所谓的化学方法，目前应用较为广泛的是添加强氧化剂等化学物质来达到杀 菌灭藻目的。 ( 1 ) 采用氯的衍生物 工业用水与自来水行业常用的都是用氯的衍生物杀菌灭藻。较为广泛应用电 解法生产二氧化氯，再用二氧化氯加入水体中进行杀菌消毒。由于氯的衍生物在 水体中分解为c 1 2 ，o c i c 1 0 2 h o c i 等强氧化性基团，这些对细菌都有杀灭作 用。氯化杀菌具有简单廉价和高效的优点。其主要缺点是：给水体带来不少污 染，易形成杀菌副产物如三卤乙烷等有害致癌物质：并对设备材质有一定耐腐蚀 的要求。 ( 2 ) 采用臭氧 臭氧( 0 3 ) 是人类已知的仅次于氟的第二位强氧化剂，具有很强的活性，对 水中细菌，病毒，藻类等微生物有着较强氧化杀灭作用，当今水处理工程中用臭 氧杀菌消毒应用最为广泛，国内饮用水与工业用水生产都采用这种方法灭菌消 毒。臭氧杀菌灭藻具有高效广谱性，高洁净性安全性等优点；但附属设备多投 资大，电耗大生产成本高尾气处理不好空气污染大对工人身体健康影响较大等 缺点 1 3 1 2 物理方法 所谓物理方法，就是应用光、电等手段杀灭水中细菌及藻类的方法。目前应 用较为广泛的是紫外线方法和电磁方法。 ( 1 ) 紫外线杀菌灭藻 紫外线杀菌能力是由紫外线的照射量所决定的，它等于紫外线强度与照射时 间的乘积。其性能与紫外线杀菌灯的性能，原水的物理化学成分，灯管周围介质 温度，灯管与被照射点距离、灯管点燃时间等有直接关系 ( 2 ) 电磁场杀菌灭藻 水经过磁场处理后会产生一系列物理、化学性质的变化，对水中的生物产生 北京工业大学工学硕士学位论文 影响，即磁水的生物效应1 5 1 。目前电磁水处理器形式分为两种，一种是采用非接触 式传感器，即电极或线圈与水是通过绝缘层进行保护的，如高静电压、高频交流 电磁式；另一种是采用接触式传感器，即电极与水直接接触，这种方法除电极容 易受腐蚀，寿命短，安装也比较复杂。磁场水处理技术作为一种高效节能，绿色 环保型水处理新技术，具有设备简单，易于管理等优点，应用前景十分广阔嘲。 1 3 2 抗垢除垢手段 防垢对策首先体现在换热设备的设计阶段，从换热器的结构选型、材料、布 置等方面着手，展开研究，开发了许多有效的污垢预防措施和技术。例如，利用 离子注入技术，采用表面涂层、非金属材料换热面，合理选择换热器管程、壳程、 介质流速等方法来提高系统的防垢抗垢能力目前使用较为普遍的方法包括化学 方法和物理方法等。 1 3 2 1 化学方法 所谓化学阻垢方法目前应用的较为广泛，其主要优势是人们对其工作原理基 本上己搞清楚，而且使用方法比较简单可行，缺点主要是各种化学添加剂的应用 会给环境造成二次污染。化学阻垢方法又可分为： ( 1 ) 离子交换树脂法 当原水经过离子交换树脂床时，水中的杂质离子与树脂上的无害离子交换， 从而把杂质离子从原水中去掉，使水质符合要求 ( 2 ) 加药软化法 通常对硬度高、碱度高的水，采用石灰软化法；对硬度高、碱度低的水采用 石灰一纯碱软化法；对碱度高的负硬水则采用石灰一石膏处理法 ( 3 ) 投加阻垢剂法 通过采用投加阻垢剂的方法，来破坏c a c 0 3 的结晶过程，从而达到阻碍c a c t h 的结晶的生长，控制水垢形成。 1 3 2 - 2 物理方法 物理抗垢法，主要是指运用声、光、 改变硬水中各种离子和分子的运动状况， ( 1 ) 磁场水处理技术 电、磁等技术及其相应设备来有目的地 从而达到抗垢的效果具体方法包括： 磁化法就是使用磁铁的磁性或产生交变的电磁场使水质改变。这种方法比较 简单，对设备也没有影响，但是磁场会逐渐衰减，磁性悬浮物吸附后影响效果。 虽然磁化法在工业、农业和生物医学领域得到了广泛的应用，但是在研究磁化法 抗垢机理时还是遇到了很大困难。因为水系统是一个复杂的开放多变的物质系统， 第l 章绪论 它不仅与外界交换能量，也与外界交换物质。受到各种外界影响之后，水的性质 会发生不同寻常的变化磁化法抗垢技术的应用效果不稳定，有时甚至出现负效 应。 ( 2 ) 静电水处理技术 静电法是给水体施加恒定的高、低压电流电磁场，使水体中产生一些自由电 子，这些电子最后生成0 2 和h 2 c 2 等物质。对于静电处理技术的研究，相对而言 不如电磁处理那样深入和广泛。对于其机理，一般采用水偶极子发生定向排列形 成偶极子团来解释u , 8 1 。其性能与水质的p h 值、硬度以及工质流速等因素有关网。 ( 3 ) 脉冲射电水处理技术 脉冲射电水处理技术的特点是在不增加电源能耗的前提下，产生瞬间高压高 强电磁脉冲，可比高频电磁作用强度增大1 0 2 0 倍，有效克服了水分子的“极化 能障”，确保了各种水质工况条件下的处理效果。 ( 4 ) 超声波水处理技术 超声波技术已广泛应用于清洗、医疗等行业，近几年，超声用于阻垢、除垢 方面的研究与应用已见诸于文献报道。具有一定的抗垢效果，且其效果随超声强 度和处理次数的增加而显著。其阻垢效能是其空化效应导致结垢诱导期延长的缘 故。 ( 5 ) 交变电磁场水处理技术 电磁抗垢技术的思想就是让硬水在进入换热设备之前，促使碳酸钙晶体形态 的变化，使之生成结构松散，不易附着在管壁或者换热表面的晶体形态，从而达 到防垢的作用。 电磁抗垢技术的实现非常简单。即用一根导线绕在换热器的进口管上，形成 一个螺线管，将此导线的两端接至电磁抗垢器的两输出端。让交变的方波电流通 过该螺线管，从而在管道内产生感应电动势，感应的交变电场产生交变的磁场。 目前，国内外对电磁场处理水的机理研究还处在初步探讨阶段。对电磁场处理水 的有关物理参数的改变及机理尚无定论。 1 4 本文的主要研究内容 对交变电磁抗垢的效果和机理的认识还远远没有达到满足工程需要的水平。 之所以研究交变电磁抗垢技术，原因在于其不仅具有其它物理法抗垢技术节能、 环保的特点，而且其安装方便，不用更换管线，投资少，几乎可以一劳永逸。 目前市场上的电磁水处理装置可谓五花八门，但绝大多数是对某一特定水质 或对某种特定范围的水质进行处理，其电压通常是固定不变的，而且大多采用开 环控制，如果水质、环境不同，则处理效果会大打折扣。 北京工业大学工学硕士学位论文 本课题的主要内容，首先是基于a r m 7 ，开发出具有反馈手段的电磁水处理通 用平台，开放其数据、地址总线，提供常用的通讯接口，方便日后更多传感器和 反馈手段的加入。在此基础上，通过与环能学院传热与能源利用北京重点实验室、 抗垢实验室的合作，重点掌握电磁抗垢方面的第一手数据，在理论和实验数据分 析的基础上，试图找到电磁抗垢方面的一些特性，发现实验平台及实验手段的不 足并加以改进，为下一步具备闭环控制思路、可变频率和电压、具备检测并处理 各种水质的自动寻优的水处理装置作必要的理论和实践准备 第2 章水垢分析及电磁抗垢机理 第2 章水垢分析及电磁抗垢机理 虽然电磁水处理装置具有杀菌灭藻、抗垢除垢、管道抗腐蚀、水质净化等功能。 但考虑到本次实验的设计，主要研究电磁场水处理在抗垢除垢方面的作用和电磁场 对c a c 0 3 结晶过程及其晶体结构的影响。所以，相应的我们对c a c 0 3 结晶结构和 电磁场抗垢除垢机理进行必要的介绍。 2 1 污垢分析 污垢的分类方法有很多种，但目前被国际工程界所广泛接受的还是e p s t e i n 在 第六届国际传热大会上提出的i s 、即按引起污垢形成的最主要过程分类为标准。按 照这个标准，循环水污垢可分为六类： ( 1 ) 析晶污垢 这是指在流动条件下呈过饱和的流动溶液中的溶解无机盐在换热面上的结晶 体，因而又称作结晶污垢。循环水中溶解有各种盐类，这些盐类会发生一系列反应， 生成微溶的碳酸钙和磷酸钙，在换热其表面上，这些微溶性盐很容易达到过饱和状 态而从水中结晶析出。这些物质常被称为水垢。 ( 2 ) 微粒污垢 是指悬浮在流体中的固体微粒在换热面上的积聚，主要由细小的泥沙、尘土、 不溶性盐类的泥状物、胶状氢氧化物、杂物碎屑组成。 ( 3 ) 化学反应污垢 这是由化学反应形成的换热面上的沉积物。 ( 4 ) 腐蚀污垢 这是换热面材料本身参与化学反应所产生的腐蚀物的积聚。 ( 5 ) 生物污垢 是由宏观生物体和微观生物体附着于换热面上而形成的。主要由藻类的尸体即 黏性分泌物组成。 ( 6 ) 凝结污垢 是由纯净液体或多组分溶液的高溶解组分在过冷的换热面上凝固而形成的。 事实上，实际换热面的污垢常常是几种污垢结合在一起的。本文主要针对析晶 污垢即通常所说的水垢进行研究。 现实工作中，大多数水垢的成分是以碳酸钙为主及其它一些难溶盐的形式存在 的，一般我们所说的污垢是碳酸钙、硫酸盐、磷酸盐以及一些硅酸盐。所以本文的 北京工业大学工学硕士学位论文 研究重点是针对碳酸钙展开的。碳酸钙晶体主要分为两种结构：方解石和文石其 中，方解石在室温下( 小于3 0 时) 形成，呈六面体结构，且结构松散，由于它 与壁面的附着力比文石要小的多，所以使用弱酸就很容易将其清除。而文石在较高 温度下( 大于3 0 c 时) 形成，呈正交晶状结构，结构致密，很难用酸去除。据分 析，当温度大于3 0 时，形成的碳酸钙晶体中，8 0 为文石，2 0 为方解石 6 1 。 2 2 影响污垢产生的因素 ( 1 ) 水质 水质是影响污垢沉积的最主要的因素之一。循环水水质的各项控制指标，绝大 部分是根据污垢控制指标的要求而制定的。除了沉淀离子和浊度外，水的p h 值对 污垢沉积也有较大的影响。因为钙、镁垢和铁的氧化物在p h 值大于8 时，几乎完 全不溶解。有机胶体在碱性溶液中比在酸性溶液中更容易混凝析出。 ( 2 ) 流动状态 流动状态包括流体的流量、流体的湍流和层流程度、流动图形或者水池分布等 几个方面。 由于使沉积的污垢脱离表面的剪切力决定于流体的流动状态，因此流动状态对 污垢的沉积有重要作用。在流动体系中，如有高速流动速度变为地流速的突变区域， 则由于剪切力的突然消失，在此区域内污垢最容易沉积 ( 3 ) 温度 在冷却水系统中，有两种温度影响即主体水温和热交换管的避温。尤其是热 交换管壁温度较高时，会明显加强污垢的沉积这是因为，温度高会使微溶盐类的 溶解度下降，导致水垢析出；温度高利于晶体的解析过程；加快了传质速度和离子 的碰撞，使沉降作用增加。 ( 4 ) 表面状态 粗糙表面比光滑表面更容易造成污垢沉积。这是因为一个粗糙表面比光滑表面 的面积达乒8 倍，表面积的增大，增加了金属表面和污垢接触的机会和粘着力。此 外，一个粗糙的表面会形成许多空腔，表面越粗糙，空腔的密度越大在这些空腔 内的液体是处在滞流区，如果这个表面是传热面，则还是在高温滞流区浓度、结 晶、聚合等各种作用都回在这里发生，促进污垢的沉积。 2 3 电磁抗垢机理 电磁场对抗垢体系的影响是一种物理作用。通常对体系的化学成分没有明显影 响，即电磁抗垢没有明显的软化和脱盐作用；电磁作用能引起体系的些物理性质 第2 章水垢分析及电磁抗垢机理 ( 如粘度、渗透性、表面张力、气体的溶解性、离子的水合作用等) 的变化。 至于电磁处理器的抗垢除垢机理，事实上，目前国内还没有形成一套完整的、 普遍令人接受的理论。我们只对当前较为流行的理论作一下归纳。 ( 1 ) 水中钙盐结晶形态改变 水垢的主要成分是c a c o ，由水中的c a ( 1 - i c 0 3 h 受热分解生成的。它有两种结晶 方式：当加热经电磁处理的水时，析出的c a c 0 3 晶体主要为针状文石结晶，其中参 杂了许多方解石。一般认为，电磁处理能够促使文石向方解石的方向转变。从而使 水垢的结构相对疏松，抗拉、抗压能力差，黏结性弱，不易黏结成坚硬水垢。它可 在水中任意成核结晶，形成泥渣状态沉淀下来而通过捧污除去而未经电磁处理的 水在加热时析出的c a c 0 3 结晶主要为紧密的针状文石结晶，其呈正交结晶结垢，此 晶体在受热的金属表面上成核结晶形成坚硬的水垢。 ( 2 ) 晶体的水合状态改变 水流经电磁场时，由于磁场的作用，水分子的偶极矩增加，导致水分子问范德 华力得到加强，加强了氢键的作用以及水分子之间的缔合状态，水中阳离子和阴离 子受洛仑兹力后发生位移、变形和极化，使水垢结晶状态变化，晶体之间相互结合 及晶体生长困难，这样生成的水垢晶体变小，成为疏松的泥渣状。 ( 3 ) 分子问、离子间作用的影响 经过电磁处理的水，由于受到洛仑兹力作用，正负离子接近，其间静电力( 即 库仑力) 加大而结成离子对，并且水分子和水中离子的磁矩产生振动，致使c a c 0 3 在结晶核心周围析出，成为浮于水中的结晶状泥渣。这些泥渣在管壁上黏附成为一 层薄而松的覆盖层，水垢的晶体便不能再在管壁上析出。 无论是极性分子还是非极性分子，在磁场的作用下会产生极化，并进行定向排 列。两极性分子在发生异性相吸，同性相斥的作用时，会使分子产生一些变形，极 性增大。水中盐类的阴离子将被极性增强的水偶极子包围而难运动，从而抑制钙镁 等盐垢的析出。再如氢键断裂变形理论认为，磁作用会引起水的渗透性增强，破坏 垢与器壁间的结合力从而引起水垢的脱落。 ( 4 ) 晶粒变小 由于磁场对电子的自旋磁矩和轨道磁矩的作用而破坏了氢键的作用力，水溶液 中的电解质平衡发生变化，同时单散水分子比例增加，水合钙离子【c a o l 2 0 ) n 】2 + 中的 水分子数n 相应增加，从而使水中c a c 0 3 结晶为文石 ( 5 ) 对污染物的影响 污染物，如磁加强腐蚀溶解，使体系中产生痕量的f e 2 + 、f ，等，而f e = h 、f e ” 等能抑制硬垢的生成，产生软泥! ，达到防止器壁结垢的效果。但污染物影响类的 机理不能解释非浸入式磁处理器及高纯溶液的结果。 ( 6 ) 对原子内部的影响 北京工业大学工学硕士学位论文 从熵变化的角度可以解释磁场减少垢形成的原因。在没有磁场作用的情况下， 低能态旋转能级是简并态。而在磁场作用下，能级会分裂成磁旋量子数m = 士1 2 的两 个能级。在低温下，磁性物质在磁场作用下进行定向排列，而引起其熵的降低。然 而成垢的抗磁性物不会定向排列，体系的熵会增加，熵的增加会反映到成垢物质的 溶解性、离子浓度等的变化上因而可达到防垢效果。 ( 7 ) 对界面间的影响 界面问的影响，如双电层变形理论认为，在磁场作用下，由于胶粒等的电势 变化，使溶液本体中粒子聚集产生大量的微粒，从而提供预制晶核。这些晶核一方 面降低了溶液的过饱和度，同时使溶液中结晶能力增强，减少器壁上结垢的机会， 形成软泥。以界面间的影响为基础的理论，得到了许多实验证据的支持，并以电 势形式提出了大量的性能参数，能解释多数实验结果。 此外，美i 司d r e x e l 大学的y o u n gi c h o 在电磁抗垢方面做了大量的工作【1 0 1 ，不但 用自由能定律解释了污垢的形成机理，而且还建立了一套电磁抗垢系统来研究磁场 对结垢的影响，进而得出结论，认为电磁抗垢的机理是：磁场的作用能够促使污垢 晶体尺寸长大，使结构致密的文石型碳酸钙晶体变为结构松散的方解石型碳酸钙晶 体，因而形成的污垢晶体很容易被具有一定流速的流体带走，从而达到抗垢的目的。 2 4 本章小结 本章详细介绍了污垢的分类及其形成过程，着重介绍了析晶污垢即平常所说的 水垢的特点及其不同条件下所表现的形态特征。阐述了时下较为主流的关于电磁抗 垢方面的理论，为电磁抗垢实验平台的设计及实验现象的解释奠定了一定的理论基 础。 第3 章电磁水处理系统的软硬件设计 3 1 概述 第3 章电磁水处理系统的软硬件设计 我们的目的在于建立一套具有输出可调频率、可调电压幅值并带有必要反馈 环节的智能电磁水处理器。其结构框图如图3 1 所示。主要包括基于a r m 7 的主 控模块，基于a d 9 8 5 0 的可调频率输出模块，基于a d 7 8 6 2 的模拟量反馈模块， 基于p w m 和i g b t 的可调电压模块，功率放大模块，包括液晶、键盘的人机交 互模块以及基于串口的上下位机通信模块等。 z 之：爿a ，d 转换模块 ：爿模拟量检测模块 p h i l i p s a r m 7 彳、 l p c 2 2 1 0 1 1 ”。干“1 8 曲卜r 1 “+ “。士植咒 巩 上 u a r t 刮 二纠液晶模块 位 机1 2 c ：爿 键盘 i i q 电压模块l i - 7 一 负 p ，v m l 7i i 载 介 线 i o i 。l圈 图3 - 1 系统结构图 f i g 3 - 1t h ec o n f i g u r a t i o no f t h es y s t e m 相应的软件方面，其主要功能是实现电磁水处理器。如扫频功能、根据用户 设定的参数工作的功能、人机对话功能、发射功率监测功能以及与上位机的通讯 功能。相应的其功能模块主要包括启动代码部分、可调频率发生部分、a d 部分、 p w m 调压部分、键盘液晶部分、上位机通讯部分等。其中采用了u a r t 串行中 断、i 2 c 中断和键盘中断( 外部中断) 来满足系统设计要求。 下面我们将对各部分的软硬件作详细介绍。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2 主控部分 主控部分是本设计的核心智能单元。其功能框图如图3 - 2 所示主要包括主 控制器l p c 2 2 1 0 ，系统存储器，j t a g 调试电路，串行通讯接口，开放式数据地 址总线，电源、复位、晶振等系统支持电路。 图3 - 2 主控部分结构图 f i g 3 - 2t h ec o n 埏, e r a t i o no f t h em a i ns y s t e m 一般在3 2 位a r m 应用系统中，软件大多数采用c 语言进行编写，这样可以 大大的提高开发效率和软件性能但是为了能够进行系统初始化，经常采用汇编 文件作为启动代码，它可以实现向量表的定义、堆栈的初始化、系统变量初始化、 中断初始化、加初始化、地址重映射等操作。我们参考了广州周立功公司提供 的e a s yr m 2 2 1 0 系列开发板的启动代码，并作了相应的修改。其文件组成如表 3 1 所示 表3 - 1 启动代码文件组成 t a b l e 3 1t h el i s to f b o o tp r o g r a m 文件名称文件类型 相关说明 s t a r t u p s汇编文件向量表、堆栈初始化和跳转到m a i n 函数入口等 i r q s汇编文件 负责管理中断嵌套 t a r g e t cc 文件初始化l p c 2 2 1 0 目标板 c o n f i g h 头文件系统配置和类型的定义 t a r g e t h头文件 与l p c 2 2 1 0 目标板相关的声明 l p c 2 2 1 0 h 头文件l p c 2 2 1 0 芯片特殊寄存器的定义 第3 章电磁水处理系统的软硬件设计 整个启动代码由2 个汇编文件( s t a r t u p s 和i r q s ) 、1 个c 文件( t a r g e t c ) 和3 个头文件( t a r g e t h 、c o n f i g h 和l p c 2 2 1 0 - h ) 组成。下面分别对这些文件作 以说明。 ( 1 ) s t a r t u p s 文件 该文件的作用包括，设置各模式堆栈大小常量、定义各模式常量、建立异常 向量表、设置各异常处理程序地址、各模式堆栈初始化、复位处理并跳转到c 语 言入口等 由于包含异常向量表和异常处理程序地址，当异常( 包括复位) 发生后，程 序将从异常向量表取指进行跳转。该文件在完成了各模式堆栈初始化后，调用目 标板初始化程序，最后跳转到c 语言m a i n 0 $ 数入口处。 ( 2 ) i r q s 文件 该文件通过宏实现i r q 中断嵌套的管理，其处理流程如图3 3 所示。 保存任务环境 上 切换到系统模式 上 调用异常处理程序 ( 在c 程序中) 上 切换回i r q 模式 并关闭中断 上 恢复现场 图3 - 3 i r q s 处理流程 f i g 3 - 3s e q u e n c eo f l r q s ( 3 ) t a r g e t c 文件 该文件包含和目标板初始化相关的代码，如r e m a p 设置、系统时钟设置、存 储器加速模块设计、中断向量控制器初始化等，以及i r q 和f i q 的异常处理空函 数。用户可以在空函数中添加自己的特殊代码。 ( 4 ) c o n f i g h 文件 该文件主要用于程序中用到的一些类型的定义和系统时钟的定义。为了方便 北京工业大学工学硕士学位论文 使用，我们在该文件中对c 语言中常见的类型重新作了定义。如将u n s i g h e dc h a r 型定义为u i n t 8 ，将t m s i g n e di n t 型定义为u i n t 3 2 等。 ( 5 ) t a r g e t h 文件 该文件主要用于开，关i r q 中断和f i q 中断函数的声明。 ( 6 ) l p c 2 2 l o h 文件 该文件是l p c 2 2 1 0 芯片的特殊功能寄存器定义文件。为了使用方便我们在该 文件中对芯片l p c 2 2 1 0 的特殊功能寄存器作了定义。如： # d e f i n ei o s e t 0 ( ( ( v o l a t i l eu n s i g n e dl o n g ) 0 x e 0 0 2 8 0 0 4 ) ) 其中“( ( v o l a t i l eu n s i g n e dl o n g ) 0 x e 0 0 2 8 0 0 4 ) ”表示这是一个指向0 x e 0 0 2 8 0 0 4 的u n s i g n e d l o n g 型指针。前面加“ ，表示取0 x e 0 0 2 8 0 0 4 地址的内容。0 x e 0 0 2 8 0 0 4 被定义为寄存器i o s e t 0 ，当i o s e t = 0 x 1 2 3 4 5 6 7 8 时，即往寄存器i o s e t 0 中写 入0 x 1 2 3 4 5 6 7 8 。l o n g ”表示，该寄存器为3 2 位。而前面加上修饰符“v o l a t i l e ” 告知编译器该对象可能在程序之外被修改，不要对其进行优化 在介绍完启动代码各部分功能后，现在对系统的启动过程作以下总结。 首先，a r m 芯片复位后，系统进入管理模式，a r m 状态，p c ( r 1 5 ) 寄存 器值为0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，系统从0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 处开始执行程序。在0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 处放置 异常向量表，程序将根据异常向量表进行跳转过程如下： ( 1 ) 芯片复位后，p c = 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，在异常向量表0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 处 ( 2 ) 芯片根据异常处理程序地址表，得到复位程序地址。 ( 3 ) 跳转到复位处理程序处。 ( 4 ) 调用s r a r t u p s 中的i n i t s t a c k 0 函数，初始化各模式的堆栈。 ( 5 ) 调用t a r g e t c 中的t a r g e t r e s e t l n i t 0 函数，初始化系统主板。 ( 6 ) 跳转到用户c 程序入口m a u l 0 处。 至此，启动过程结束，系统工作在系统模式，开始用户程序的运行。 3 2 1 主控制器及系统存储器部分 3 2 1 1 主控制器 系统设计中，我们采用了目前较为流行的a r m 7 处理器，处理速度快，能满 足较大规模寻优算法的要求。经过调研，最终选择了p h i l i p s 公司a r m 7 处理器 l p c 2 2 1 0 ，该芯片价格低廉，片上设备和接口丰富，具有很高的性价比，且方便 系统扩展其具体特点如下i j i 】： 1 6 3 2 位1 4 4 脚a r m 7 t d m i s 微控制器，兼容a r m 、t h u m b 指令。 1 6 k 字节片内静态r a m ，但无片内f l a s h 程序存储器。 串行b o o t 装载程序可以通过u a r t 0 来实现在系统下载和编程。 第3 章电磁水处理系统的软硬件设计 通过外部存储器接口，可将存储器配置成4 组且每组的容量可达1 6 m b 。并且 每组存储器的数据宽度为8 1 6 3 2 位可选。 通过e m b c d d e d i c b r t 接口可以使能断点和观察点。当前台任务使用片内 r e a l m o u i t o r 软件调试时中断服务程序可继续执行。嵌入式跟踪宏单元e t m 支持对 执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。方便程序调试。 具有2 个3 2 位定时器其具有4 路捕获通道和4 路比较通道；内部集成6 路输出的 p w m 控制单元、实时时钟和看门狗。 多个串行接口包括2 个1 6 c 5 5 0 t 业标准u a r t ，高速1 2 c 接口( 4 0 0k b i t s ) 和 2 个s p i 接口。 向量中断控制器最多可有3 2 个中断请求输入，可配置优先级和向量地址。具 有1 6 个向量中断，可动态分配给中断请求。一个非向量中断并支持软件中断。 具有多达1 1 2 个通用f o il ，可承受5 v 电压，并具有1 2 个独立外部中断引脚。 通过片内p l