基于数控超声波发生器的防除污损生物系统设计

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由于污损生物容易在海水管线内壁和海水过滤器网附着沉积,为此可利用超声波技术杀死海生物幼体,以防止其透过滤网进入海水系统成长,从而避免造成海水管道污染堵塞[1-2]。论文针对中海油海上平台防除污损生物的需求,进行了超声波自动控制系统的设计及实施。论文所涉及的超声波自动控制系统主要由超声波发生器、超声波振动系统、防爆柜和组态监控系统组成。论文通过分析海上平台防除污损生物的要求,首先设计了超声波防爆系统,针对单台或多台启动需求,进行了控制柜的电气设计及连接;然后针对超声波振动部分功率和频率的需求,选择了合适的换能器,并针对此换能器研究开发了基于STM32的超声波数控发生器;最后,针对海上平台全自动超声波控制系统的监控需求,设计了组态界面,基于Modbus通信协议的基础上实时显示超声波驱动电源的数据。本文所设计的数控式超声波发生器(或称为超声波驱动电源)采用意法半导体(ST)公司生产的STM32系列为主控芯片。通过四路PWM输出驱动电路来分别驱动全桥电路的四个IGBT,经变压器耦合产生的高频交流信号,通过串联谐振匹配网络后接入超声波换能器并驱动超声波振动系统以需要的振幅进行工作。超声波驱动电源系统采用智能数字式控制算法,实现自动频率搜索与频率跟踪精细、准确。通过实验结果,设计了一种智能化的功率控制方法即便在工作负载剧烈变化的场合,也能实现换能器振幅恒定,同时系统内置保护电路,系统故障报警机制完善且运行稳定。论文通过设置不同的工作功率和工作方式,通过检测超声波系统对海生物的杀死效果以寻求超声波杀死海生物的最佳功率。同时论文实验结果表明超声波在防除海洋污损生物方面具有简单、经济、有效、环保等优点。因此,运用超声波技术开展海洋污损生物防除方面的实验研究具有重要的意义和美好的发展前景。
摘要第5-6页
ABSTRACT第6页
目录第7-9页
第1章 绪论第9-19页
    1.1 超声波设备发展应用概述第9-13页
        1.1.1 超声波设备定义及组成第9页
        1.1.2 超声波技术发展史第9-11页
        1.1.3 超声空化效应及其影响因素第11页
        1.1.4 功率超声的机械效应及其作用第11-13页
        1.1.5 海上平台防除污损生物因素分析第13页
    1.2 超声波驱动电源发展概述第13-15页
    1.3 本文的研究背景及意义第15-17页
        1.3.1 本文的研究背景第15-17页
        1.3.2 本文的研究意义第17页
    1.4 论文的组织第17-18页
    1.5 本章小结第18-19页
第2章 超声波换能器的建模分析第19-29页
    2.1 超声波换能器介绍第19-20页
        2.1.1 磁致伸缩换能器第19-20页
        2.1.2 压电陶瓷式第20页
    2.2 超声波换能器分析第20-23页
        2.2.1 换能器结构分析第20-21页
        2.2.2 导纳图分析第21-23页
    2.3 超声波换能器等效电路分析第23页
    2.4 换能器仿真分析第23-28页
        2.4.1 导纳圆图测定方法第23-25页
        2.4.2 换能器特性仿真第25-28页
    2.5 本章小结第28-29页
第3章 超声波驱动电源硬件、软件设计与分析第29-44页
    3.1 超声波电源硬件设计、分析第29-36页
        3.1.1 供电电源设计第29-30页
        3.1.2 主控电路设计第30-31页
        3.1.3 功放电路设计第31-32页
        3.1.4 匹配、反馈电路设计第32-35页
        3.1.5 保护电路设计第35-36页
        3.1.6 人机交互电路设计第36页
    3.2 超声波电源软件设计与分析第36-43页
        3.2.1 频率搜索与跟踪分析第37-40页
        3.2.2 功率控制算法第40-41页
        3.2.3 系统保护软件实现第41页
        3.2.4 人机交互界面第41-43页
    3.3 本章小结第43-44页
第4章 超声波设备海上平台系统设计第44-52页
    4.1 海洋污损生物简介第44页
    4.2 污损生物的防除技术第44-45页
        4.2.1 污损生物的防除第44-45页
        4.2.2 超声波防除污损生物技术第45页
    4.3 超声波设备系统设计第45-48页
        4.3.1 海上平台系统设计的必要性第45页
        4.3.2 控制系统要求第45页
        4.3.3 控制系统设计与实现第45-48页
    4.4 超声波设备监控系统设计第48-51页
    4.5 本章小结第51-52页
第5章 超声波防除海生物效果分析第52-55页
    5.1 超声波防除海生物检测方法第52页
        5.1.1 样品采集第52页
        5.1.2 观察计数第52页
        5.1.3 死亡率计算方法第52页
    5.2 检测方案及结果分析第52-54页
        5.2.1 检测方案第52页
        5.2.2 结果分析第52-54页
    5.3 本章小结第54-55页
第6章 总结与展望第55-57页
    6.1 总结第55-56页
    6.2 展望第56-57页
致谢第57-58页
参考文献第58-62页
附录第62-68页
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