CN108279594A

CN108279594A - 臭氧发生多参数自动调控***

Info

Publication number: CN108279594A
Application number: CN201810055638.3A
Authority: CN
Inventors: 刘昌裕; 陈秉岩; 戚家程; 向文楷; 甘育麟; 朱昌平; 殷澄
Original assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Current assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2018-07-13

Abstract

本发明公开了一种臭氧发生多参数自动调控***，包括气泵、气源监测调节单元、臭氧产生单元、臭氧检测单元、电参数监测单元、可编程AC/DC电源、PDM电源和数据处理单元，气泵、数据处理单元分别与气源监测调节单元相连，气源监测调节单元与臭氧产生单元的气相连，PDM电源与臭氧产生单元相连，臭氧产生单元与臭氧检测单元相连，臭氧产生单元与电参数监测单元相连，臭氧检测单元、电参数监测单元分别与数据处理单元相连，可编程AC/DC电源和PDM电源的分别与数据处理单元双向连接，可编程AC/DC电源与PDM电源相连，PDM电源还与电参数监测单元相连；具有能够自动调控臭氧发生过程的工作参数，从而保证臭氧发生能够在最优工作参数条件下进行，达到最佳放电状态的特点。

Description

臭氧发生多参数自动调控***

技术领域

本发明属于臭氧技术领域，具体涉及一种臭氧发生多参数自动调控***。

背景技术

臭氧是一种强氧化剂，不受PH影响，与绝大多数物质都能发生化学反应，具有反应速度快、反应用量小、反应可控的特点，而且不产生有致癌作用的二次污染物，操作方便，可以利用空气就地制备。由于臭氧在杀菌、消毒、脱色、除臭、氧化难降解有机物与改善絮凝效果方面有明显的优势，被广泛应用于化学氧化、废水处理、造纸制浆漂白处理、渔业养殖水处理、食品加工保鲜处理、空气净化、半导体工业、医疗卫生、防治病虫、残留农药的分解与去除等方面。

由于臭氧是极不稳定的物质，很容易转化成氧气，不便于储存，必须在使用点产生。如何提高臭氧的产量及发生装置的小型化，已经成为当今的研究热点。

目前，现有技术中尚未存在能够真正实现自动化调控臭氧发生的工作参数，使得产生的臭氧浓度高，效率高的***。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种能够采集臭氧发生时工作参数，从而保证臭氧发生能够在最优工作参数条件下进行，达到最佳放电状态的臭氧发生多参数自动调控***。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

臭氧发生多参数自动调控***，包括气泵、气源监测调节单元、臭氧产生单元、臭氧检测单元、电参数监测单元、可编程AC/DC电源、PDM电源和数据处理单元，所述气泵与气源监测调节单元的气体输入端相连，所述数据处理单元的输出端与气源监测调节单元的输入端相连，所述气源监测调节单元的气体输出端与臭氧产生单元的气体输入端相连，所述PDM电源的输出端与臭氧产生单元的输入端相连，所述臭氧产生单元的气体输出端与臭氧检测单元的气体输入端相连，所述臭氧产生单元的输出端与电参数监测单元的输入端相连，所述臭氧检测单元的输出端、电参数监测单元的输出端分别与数据处理单元的输入端相连，所述可编程AC/DC电源、PDM电源的分别与数据处理单元双向连接，所述可编程AC/DC电源的输出端与PDM电源的输入端相连，所述PDM电源的输出端还与电参数监测单元的输入端相连。

采用上述技术方案的原理和有益效果：

气泵用来给整个***提供一定流速的待处理气体；气体监测调节单元，一方面对气体流速进行监测，另一方面使用具有流量调节的调节阀进行流量调节；臭氧产生单元用于产生高浓度的臭氧；臭氧检测单元是用臭氧传感器采集臭氧的浓度；可编程AC/DC电源，用于设定PDM电源的输入电压及整个***的功率；PDM电源作为臭氧产生单元的激励电源，其供电的功率密度、电压、放电强度都可进行调节，因此反应器的供电条件随着 PDM电源的工作模式而改变；电参数监测单元主要用于检测放电反应器上的供电电压电流等电气参数，然后向数据处理单元发送电参数信号。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述气源监测调节单元包括流速传感器和流量调节阀，所述流速传感器的气体输入端与气泵相连，所述流速传感器的气体输出端与流量调节阀的气体输入端相连，所述流量调节阀的气体输出端与臭氧产生单元气体输入端相连，同时，所述数据处理单元的输出端分别与流速传感器的输入端、流量调节阀的输入端相连。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述气源监测调节单元包括流量计和流量调节阀，所述流量计的气体输入端与气泵相连，所述流量计的气体输出端与流量调节阀的气体输入端相连，所述流量调节阀的气体输出端与臭氧产生单元气体输入端相连，同时，所述数据处理单元的输出端分别与流量计的输入端、流量调节阀的输入端相连。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述数据处理单元包括数据采集与控制单元，所述数据采集与控制单元包括MCU，所述MCU设有流速传感器AD端、放电电流检测电路AD端、供电电压检测电路AD端、臭氧检测电路AD端，以及MCU电源、显示单元、气体流速调节模块、PDM电源电压调控模块、PDM电源功率密度调控模块和可编程 AC/DC电源调整模块。

采用上述技术方案的原理和有益效果：

数据采集与控制单元用来采集气体流速、电气参数、臭氧浓度等参数并进行处理，判断装置是否工作在最佳放电状态，从而对可编程AC/DC电源，PDM电源和流速监测与调节单元进行控制，确保装置工作在最优参数范围内。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述数据处理单元包括数据采集与控制单元和上位机***，所述数据采集与控制单元的输入端分别连接臭氧检测单元的输出端、电参数监测单元的输出端，所述数据采集与控制单元的输出端与气源监测调节单元的输入端相连，同时所述数据采集与控制单元还分别与上位机***、可编程AC/DC电源以及PDM 电源双向连接。

采用上述技术方案的原理和有益效果：

数据采集与控制单元用来采集气体流速、电气参数、臭氧浓度等，并向上位机***发送采集到的数据，由上位机***读取后使用牛顿爬山算法结合优选法进行处理，判断装置是否工作在最佳放电状态，从而对可编程AC/DC电源，PDM电源和流速监测与调节单元进行控制，确保准确找到最优参数范围。

通过得到放电参数后，本发明与牛顿爬山算法相结合，设计了最佳放电效果评估方法。根据臭氧产生能效比(Eer)的变化规律，得到在最佳放电效果时对应的放电参数。根据牛顿爬山算法找出最佳Eer对应的放电条件，确定相应的参数范围。

牛顿爬山法又称扰动观察法，本发明中是通过不断调节放电反应***的放电条件和气体流速来比较调整前后臭氧产生能效比的变化情况，再根据变化情况来调整放电条件和气体流速，包括可编程AC/DC电源的输出电压、PDM电源的供电电压、供电能量的参数、气体流速,使放电反应器工作在最佳能效比附近。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述臭氧检测单元包括气体传感器，所述气体传感器的气体输入端连接臭氧产生单元气体输出端，所述气体传感器的输出端连接数据处理单元。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述电参数监测单元包括高压探头、电流互感器和示波器，所述高压探头、电流互感器各自的一端分别接在臭氧发生单元的输出端上，另一端与示波器的输入端相连，所述示波器的输出端与数据处理单元输入端相连。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述电参数监测单元包括放电电流检测电路和供电电压检测电路，所述放电电流检测电路的输入端、供电电压检测电路的输入端分别与臭氧发生单元的输出端相连，所述放电电流检测电路的输出端、供电电压检测电路的输出端分别对应连接放电电流检测电路AD端、供电电压检测电路AD端。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述气体传感器内部设有工作电极、参考电极和对电极，所述臭氧产生单元气体输出端与气体传感器气体输入端连接处设有薄膜，所述工作电极、参考电极和反电极相互连接。

本发明的有益效果为：

与现有技术相比，本发明使用一系列的检测电路采集附加在***中的供电电压、放电电流、供电功率密度、气体流速等参数，同时通过匹配反应器的电极间距和气体流速与PDM电源的供电参数，找到臭氧产生的最佳能效比，确定最佳放电参数，在实际使用中，***能够实现自动调控，使得整个***中的各个单元在最佳参数范围条件下工作，从而达到相对最佳的臭氧产生效果。

附图说明

图1是本发明的***结构框图；

图2是本发明实施例1的结构图；

图3是本发明实施例1中的数据处理单元结构图；

图4是本发明实施例1中的气体传感器主要元件结构图；

图5是本发明实施例2的结构图；

图6是本发明实施例2的数据处理单元结构图；

图7是本发明实施例1的供电电压检测电路图；

图8是本发明实施例1的放电电流检测电路图；

图9是本发明的臭氧检测单元电路图。

附图标记：1、气泵；2、流速传感器；3、流量调节阀；4、臭氧产生单元；5、气体传感器；6、放电电流检测电路图；7、供电电压检测电路图；8、PDM电源；9、可编程AC/DC电源；10、数据处理单元；11、流量计；12、高压探头；13、电流探头； 14、示波器；15、参考电极；16、对电极；17、工作电极。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，臭氧发生多参数自动调控***，包括气泵1、气源监测调节单元、臭氧产生单元4、臭氧检测单元、电参数监测单元、可编程AC/DC电源9、PDM电源8 和数据处理单元10，气泵1、数据处理单元10的输出端分别与气源监测调节单元的输入端相连，气源监测调节单元的气体输出端与臭氧产生单元4的气体输入端相连，PDM 电源8的输出端与臭氧产生单元4的输入端相连，臭氧产生单元4的气体输出端与臭氧检测单元的气体输入端相连，臭氧产生单元4的输出端与电参数监测单元的输入端相连，臭氧检测单元的输出端、电参数监测单元的输出端分别与数据处理单元10的输入端口相连，可编程AC/DC电源9、PDM电源8的分别与数据处理单元10双向连接，可编程 AC/DC电源9的输出端与PDM电源8的输入端相连，PDM电源8的输出端还与电参数监测单元的输入端相连。

如图2所示，气源监测调节单元包括流速传感器2和流量调节阀3，流速传感器2 的输入端与气泵1相连，输出端与流量调节阀3的输入端相连，流量调节阀3的输出端与臭氧产生单元4输入端相连，同时，数据处理单元10的输出端分别与流速传感器2 的输入端、流量调节阀3的输入端相连。

如图3所示，数据处理单元10包括数据采集与控制单元，数据采集与控制单元包括MCU，MCU设有流速传感器2AD端、放电电流检测电路AD端、供电电压检测电路AD端、臭氧检测电路AD端，以及MCU电源、显示单元、气体流速调节模块、PDM 电源8电压调控模块、PDM电源8功率密度调控模块和可编程AC/DC电源9调整模块。 MCU选择STC公司的STC12C、STM32或STC89系列单片机，使用封装为SOP-20，单片机内置了8位ADC和通用I/O口，速度均可达到100kHZ，8路ADC模块可以用作电压检测、电流检测等，信号采集并传送到MCU的A/D口，之后MCU根据内部设定的模型判断放电装置是否工作在最佳放电状态，从而控制整个***的运行的各个放电参数，显示屏与I/O口连接，显示屏使用的型号为LCD1602，LCD12864，LCD16864， LCD12232等。

如图3所示，臭氧检测单元包括气体传感器5，气体传感器5的气体输入端连接臭氧产生单元4气体输出端，气体传感器5的输出端连接数据处理单元10。

如图3所示，电参数监测单元包括放电电流检测电路和供电电压检测电路，放电电流检测电路的输入端、供电电压检测电路的输入端分别与臭氧发生单元的输出端相连，所述放电电流检测电路的输出端、供电电压检测电路的输出端分别对应连接放电电流检测电路AD端、供电电压检测电路AD端。

如图4所示，气体传感器5内部设有工作电极17、参考电极15和对电极16，臭氧产生单元4气体输出端与气体传感器5气体输入端连接处设有薄膜，所述工作电极17、参考电极15和反电极相互连接。

如图9所示，臭氧检测单元的工作原理是允许气体通过薄膜扩散到传感器内，并与工作电极17(WE)相互作用。传感器参考电极15(RE)提供反馈，以便通过改变反电极(CE)上的电压保持WE引脚的恒定电位。最后由IWE的值转换为U10的值。由 U10的大小反应气体的浓度。下一步使用反相放大电路对取得的信号幅值进行放大，将信号再通过一级电压跟随器进行隔离后对放大后的电压信号进行处理。之后经过整流电路对将交流信号变为直流信号，将信号输入内置ADC模块的MCU，对数据进行采集和显示。

本发明测量臭氧气体，主要使用的是电化学检测方法，传感器主要使用三电极电化学传感器。三电极电化学传感器内包含工作电极17(WE),参比电极(RE)和对电极 16(CE)。WE的作用是在电极表面产生化学反应；RE在没有电流通过的前提下,用来维持工作电极17与参比电极间电压的恒定；CE用来输出反应产生的电流信号,由测量电路实现信号的转换和放大。

在本实施例中，供电电压峰-峰值在20到40kV，无法直接将供电电压信号送入示波器 14中读取。因此，采用的测量供电电压的方法是电阻分压器法，将高电压波形转换成低电压波形，由高压臂和低压臂组成。反应器供电端电压加在整个装置上，而输出电压则取自低压电阻R2，在此，我们将供电电压信号衰减1000倍，即R2两端的电压是反应器供电端电压的1/1000。将R2两端的电压信号通过电容C1，起到消除直流分量的作用。另外，由于该电路检测的是高压信号，为了防止出现瞬时高压尖峰通过分压电路，造成检测电路短路，损坏元器件情况，在C1后端并联一个TVS管D1，用于导入大电压，吸收浪涌功率，保护测试电路。将采集到的信号通过电压跟随器U1，电压跟随器的作用如下：为了使R2端采集的电压信号不会受后级测量***的阻抗影响，所以后级测量 ***应为高阻抗状态，由于电压跟随器具有输入高输入阻抗，低输出阻抗的特点，在采集电路与测量***之间接入电压跟随器，一方面可以对采集电路的影响，另一方面也降低了对测量***的影响。采集到的电压信号经过精密整流电路进行整流，再通过真有效值(RMS)转换电路对交流信号进行真有效值转换。真有效值转换芯片可选择AD637、AD736、AD737等。之后将交流信号变为直流信号，然后输入到内置ADC模块的MCU，进行信号的处理。如图7所示，R1、R2分别代表高电压臂和低电压臂的电阻，假定被测电压为U，R2两端电压为UR2。根据电流连续性原理及下式进行计算：

如图8所示，本实施例汇总的放电电流检测电路，采用一个电流互感器来感应装置的放电电流。电流互感器为均匀密绕在一环形非磁性骨架上的空心螺线管，其输出电压正比于被测电流随时间的变化率。将臭氧发生器的地线直通过测量线圈所在的平面，感应放电电流。电流互感器输出电压的表达式为：

其中，e(t)是电流互感器的输出电压，i是流经回路的电流，t是时间，h为互感器骨架高度，N为线圈匝数，μ₀为真空磁导率，R_b、R_a分别为骨架内、外径。

式中，是一个常数，用互感系数M表示：

由于电流互感器输出电压与被测电流的微分成正比，所以需要对其输出的电压信号进行积分处理才能得到与回路电流成正比的输出电压。电流互感器输出的电压信号先经过一个电压跟随器再进行后续处理，电压跟随器的作用是降低后续电路对采集信号的干扰。另外，由于互感器感应到的电压信号很小，因此将其输出的电压信号先经过一个放大电路进行信号的放大，再经过积分电路。信号经过积分电路后已转变为一个与感应到的电流信号呈正比的电压信号，在将信号传输到ADC之前，还需加入一级电压跟随器，这是由于ADC工作时会消耗电能，如果直接与前级电路相连，ADC会使信号发生畸变。所以放电电流检测电路的工作流程为：先用电流互感器感应***中的放电电流，将电流信号转化为电压信号，然后通过电压跟随器对进行隔离，下一步对电压信号进行放大，将放大的信号再通过电压跟随器后输入到内置ADC模块的MCU，对数据进行采集和处理。

图中U4与周围器件构成的电路起到对电流互感器输出电压进行积分的作用，此电路中，积分电路原理及公式如下：

u_4o＝-u_c

最后可得，

根据以上公式，电流互感器输出的电压信号经过积分电路后，得到的电压信号与其感应到的电流信号呈一次函数关系。将此信号送到MCU中，可以设置感应电流与电压的关系，可以得到放电回路中的放电电流。

实施例2

如图5所示，气源监测调节单元包括流量计11和流量调节阀3，流量计11的输入端与气泵1相连，输出端与流量调节阀3的输入端相连，流量调节阀3的输出端与臭氧产生单元4输入端相连，同时，数据处理单元10的输出端分别与流量计11的输入端、流量调节阀的输入端相连。其中，流量计11可采用小流量涡街流量计11、v锥流量计 11、金属转子流量计11或玻璃转子流量计11。

如图6所示，数据处理单元10包括数据采集与控制单元和上位机***，数据采集与控制单元的输入端分别连接臭氧检测单元的输出端、电参数监测单元的输出端，数据采集与控制单元的输出端与气源监测调节单元的输入端相连，同时数据采集与控制单元还分别与上位机***、可编程AC/DC电源9以及PDM电源8双向连接。

如图5所示，臭氧检测单元包括气体传感器5，气体传感器5的气体输入端连接臭氧产生单元4气体输出端，气体传感器5的输出端连接数据处理单元10。

如图5所示，电参数监测单元包括高压探头12、电流互感器和示波器14，高压探头12、电流互感器各自的一端分别接在臭氧发生单元的输出端上，另一端与示波器14 的输入端相连，示波器14的输出端与数据处理单元10输入端相连。

效果例

为了评估装置产生臭氧的产生效率，采用能效比(E_er)这个物理量来进行评估，其公式如下：

Δm是气体(O3)通过反应器后的质量变化，V是放电通道内的气体体积，t是放电通道内气体流过的时间，E_t是高压电源消耗的总能量，c₀是臭氧气体的初始浓度，c₁是相应气体反应后的浓度。此外有V＝Q.t，E_t＝P_in.t(Q表示气体流量，P_in表示高压电源的功率)所以，我们得到一个新的公式，如下：

在本装置中，臭氧的产量的最佳控制参数可由上述两个公式评估。

臭氧产生能效比随着供电能量的改变而改变，供电能量与供电电压和供电周期个数有关。供电电压幅值是通过改变PDM电源的输入电压(即可编程AC/DC)的输出电压得到的，PDM电源输出的供电周期个数决定了供电的功率密度。在得到最佳的臭氧产生能效比之后，确定供电电压、功率密度和气体流速的范围分别为：供电电压20到25kV，供电周期个数2到12，流速为2.0m/s到3.5m/s。

需要说明的是，在本发明提供的臭氧发生多参数自动调控***工作的时候，有许多物理调控参数，如气体流速、供电电压和施加在反应器上的功率将影响臭氧的生成特性。因此，获得最佳的臭氧的调控参数是一个重要的问题，可以通过以下的参数进行评估。

臭氧发生器中的气体流速可以用气体流量和横截面积计算得到，公式可以表示为：

其中，v是指装置中的气体流速，Q表示气体流量(单位：L/min)，可由数字流量计测得，A_c是装置放电区域的横截面积。

为了评估装置产生臭氧的产生效率，采用能效比(E_er)这个物理量来进行评估，其单位是g.kWh^-1，其公式如下：

Δm是气体(O₃)通过反应器后的质量变化，V是放电通道内的气体体积，t是放电通道内气体流过的时间，E_t是高压电源消耗的总能量，c₀是气体的初始浓度，c₁是相应气体反应后的浓度。此外有V＝Q.t，E_t＝P_in.t(Q表示气体流量，P_in表示高压电源的功率)所以，我们得到一个新的公式，如下：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种臭氧发生多参数自动调控***，其特征在于，包括气泵、气源监测调节单元、臭氧产生单元、臭氧检测单元、电参数监测单元、可编程AC/DC电源、PDM电源和数据处理单元，所述气泵与气源监测调节单元的气体输入端相连，所述数据处理单元的输出端与气源监测调节单元的输入端相连，所述气源监测调节单元的气体输出端与臭氧产生单元的气体输入端相连，所述PDM电源的输出端与臭氧产生单元的输入端相连，所述臭氧产生单元的气体输出端与臭氧检测单元的气体输入端相连，所述臭氧产生单元的输出端与电参数监测单元的输入端相连，所述臭氧检测单元的输出端、电参数监测单元的输出端分别与数据处理单元的输入端相连，所述可编程AC/DC电源、PDM电源的分别与数据处理单元双向连接，所述可编程AC/DC电源的输出端与PDM电源的输入端相连，所述PDM电源的输出端还与电参数监测单元的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的臭氧发生多参数自动调控***，其特征在于，所述气源监测调节单元包括流速传感器和流量调节阀，所述流速传感器的气体输入端与气泵相连，所述流速传感器的气体输出端与流量调节阀的气体输入端相连，所述流量调节阀的气体输出端与臭氧产生单元气体输入端相连，同时，所述数据处理单元的输出端分别与流速传感器的输入端、流量调节阀的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的臭氧发生多参数自动调控***，其特征在于，所述气源监测调节单元包括流量计和流量调节阀，所述流量计的气体输入端与气泵相连，所述流量计的气体输出端与流量调节阀的气体输入端相连，所述流量调节阀的气体输出端与臭氧产生单元气体输入端相连，同时，所述数据处理单元的输出端分别与流量计的输入端、流量调节阀的输入端相连。

4.根据权利要求1或2所述的臭氧发生多参数自动调控***，其特征在于，所述数据处理单元包括数据采集与控制单元，所述数据采集与控制单元包括MCU，所述MCU设有流速传感器AD端、放电电流检测电路AD端、供电电压检测电路AD端、臭氧检测电路AD端，以及MCU电源、显示单元、气体流速调节模块、PDM电源电压调控模块、PDM电源功率密度调控模块和可编程AC/DC电源调整模块。

5.根据权利要求1或3任一项所述的臭氧发生多参数自动调控***，其特征在于，所述数据处理单元包括数据采集与控制单元和上位机***，所述数据采集与控制单元的输入端分别连接臭氧检测单元的输出端、电参数监测单元的输出端，所述数据采集与控制单元的输出端与气源监测调节单元的输入端相连，同时所述数据采集与控制单元还分别与上位机***、可编程AC/DC电源以及PDM电源双向连接。

6.根据权利要求1-3任一项所述的臭氧发生多参数自动调控***，其特征在于，所述臭氧检测单元包括气体传感器，所述气体传感器的气体输入端连接臭氧产生单元气体输出端，所述气体传感器的输出端连接数据处理单元。

7.根据权利要求1-3任一项所述的臭氧发生多参数自动调控***，其特征在于，所述电参数监测单元包括高压探头、电流互感器和示波器，所述高压探头、电流互感器各自的一端分别接在臭氧发生单元的输出端上，另一端与示波器的输入端相连，所述示波器的输出端与数据处理单元输入端相连。

8.根据权利要求4所述的臭氧发生多参数自动调控***，其特征在于，所述电参数监测单元包括放电电流检测电路和供电电压检测电路，所述放电电流检测电路的输入端、供电电压检测电路的输入端分别与臭氧发生单元的输出端相连，所述放电电流检测电路的输出端、供电电压检测电路的输出端分别对应连接放电电流检测电路AD端、供电电压检测电路AD端。

9.根据权利要求6所述的臭氧发生多参数自动调控***，其特征在于，所述气体传感器内部设有工作电极、参考电极和对电极，所述臭氧产生单元气体输出端与气体传感器气体输入端连接处设有薄膜，所述工作电极、参考电极和反电极相互连接。