基于FPGA的扫频电磁场除垢仪的研制

　　0　引言

　　输油管道、供暖、供水系统以及热电厂煤灰排放系统工作过程中,非常容易在管壁内结垢。生成的污垢会在金属设备的表面形成浓差电池,造成金属的垢下腐蚀,水垢在换热器的表面还会使同一金属换热设备的不同部位出现温差,引起金属设备的局部腐蚀。

　　目前,解决污垢问题最常用的方法是化学法,化学法包括阶段性酸洗和添加化学阻垢剂两种方法,虽然化学法作用效果明显,但是它们存在着污染环境、腐蚀管道、影响生产的正常进行等弊端。电磁场除垢仪具有安装方便、效果显著、节能、环保等方面的优点,得到了广泛应用。

　　1　扫频电磁场除垢仪的原理

　　电磁场除垢仪是利用外加电磁场信号与水分子团发生共振,使水分子团的氢键断裂,增加水分子的渗透力和矿物质在其中的溶解性,从而达到除垢的目的。然而,由于不同条件下(例如水的温度、硬度、黏度、压力、pH值等不同)水分子的自然振动频率不同,其共振频率也不同。因此,只有采用扫频(外加信号频率随时间发生变化)技术即变频共振技术,才能确保使任何水质条件下的水分子产生共振,从而达到除垢的目的。

　　2　扫频电磁除垢仪的设计

　　电磁场除垢仪的原理框图如图1所示,控制电路是整个系统的核心部分,负责产生频率随时间发生变化的方波信号(扫频信号),该扫频信号的频率应当确保能使任何水质条件下的水分子产生共振;同时,为了生成足够大的电磁场,该扫频信号需要经过驱动电路放大后,才能加载到缠绕在管道上的负载线圈上,最终达到较好的除垢、防垢效果。

　　2·1　控制电路设计

　　利用FPGA器件EP1K30QC208-3实现扫频信号输出,其硬件结构图如图2所示。

　　晶振为整个控制电路提供基准时钟信号, FPGA根据设置的步进值,对此时钟信号进行分频,产生两路相位相反的信号控制驱动电路。为了提高系统的稳定性和可靠性, FPGA输出的信号和驱动电路之间利用光电耦合器加以隔离。利用VHDL语言和原理图混合输入的方式编写FPGA器件的控制程序,其顶层原理图如图3所示,它负责产生单周期、相位连续的扫频方波信号。其中,LOAD_COUNT是频率控制模块,它的PL_K[16..0]为频率步进设定输入接口,根据其输入值在该模块中进行步进值的计算(其计算公式由式(1)确定),并最终得出输出方波的频率控制字Q[16.. 0],它也决定扫频电磁场除垢仪输出的扫频方波信号频率点的多少。COUNT为扫频信号输出模块,它根据前一级LOAD_COUNT模块的输出频率控制信号Q[16..0]计算实际的输出频率f0(其值由式(2)确定),并最终输出的两路相位相反、频率为f0的控制信号,再经光电隔离后,被驱动电路放大,用于产生足够强的扫频电磁场信号。