多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺的製作方法
2023-12-06 15:01:56
多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺，它包括控制面板、控制器、第一多路切換開關組、第二多路切換開關組、第三多路切換開關組、第四多路切換開關組、驅動隔離模塊、功率放大模塊、第一匹配變壓器、第二匹配變壓器、五個超聲信號發生器、五個匹配電感和五個分別安裝在相應的反應容器上的換能器；控制面板與控制器連接以實現雙向信號傳輸；控制器的信號輸出端分別與第一多路切換開關組、第二多路切換開關組、第三多路切換開關組和第四多路切換開關組的控制信號輸入端相連接；五個超聲信號發生器的輸出端分別通過第一多路切換開關組與驅動隔離模塊選擇性連接。本發明能夠利用在五種從低到高的頻率下的超聲波進行藥殘清洗降解實驗探究，極大地擴展了平臺的應用範圍，增強了實驗對比度和可靠性，方便了科研人員。
【專利說明】多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺，屬於超聲波藥殘清洗降解領域。
【背景技術】
[0002]目前，農藥殘留問題是隨著農藥大量生產和廣泛使用而產生的，據估算目前世界上生產的農藥、產品主要有420種，其在農作物病蟲害防治中發揮了巨大作用。但農藥長期、不合理、大量使用造成農藥殘留長期積累，嚴重汙染農產品和生態環境，直接或間接地危害人體健康。我國作為世界上主要的農藥生產使用大國，每年農藥使用量高達130噸，農藥殘留問題逐漸成為制約我國可持續發展最為突出的食品安全問題，因農藥殘留引起的惡性食品汙染事件和出口農產品中農藥殘留超標事故不斷說明了問題的嚴重性。近年來隨著人們生活水平的提高，人們對食品安全問題和環境生態日益重視，如何降解農產品和環境中的農藥殘留已成為世界各國的研究熱點。目前世界範圍內農藥殘留降解方法主要:
1、洗滌、吸附等傳統物理方法:此方法存在對低濃度殘留農藥的降解去除效果不夠徹底、勞動強度大、耗水量大並且在洗滌過程中加入的洗滌劑存在二次汙染問題。
[0003]2、氧化分解、水解等化學方法:利用此方法降解農藥殘留一般都比較耗時且成本較高，效果也不太明明顯，一些中間產物還會帶來二次汙染。
[0004]3、生物降解方法:目前這種方法在實際生產中應用較少，產品的穩定性和成本往往難以滿足生產實踐要求，還有待進一步的研究。
[0005]因此，研製出一套高效、節能、節水、無毒無害的藥殘清洗降解方法對於活躍農產品加工市場、節約利用水資源、保護生態環境和人體健康具有重要的現實意義。從上世紀九十年代開始，國際上應用功率超聲降解處理水體中有機汙染物，尤其是對有毒難降解汙染物的處理，取得了一定效果，超聲波降解技術以其高效、低耗、設備簡單無二次汙染等特點引起研究人員和相關人士的重視。雖然已有將超聲波應用於藥殘降解的相關研究，但大都是研究某種特定頻率下的超聲波對不同濃度不同種類藥殘降解的定性分析，都存在著結構複雜、超聲波頻率單一、降解效率低、難以實現多頻率清洗降解實驗同時進行、實驗對比性差可靠性低等問題。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺，它能夠利用在五種從低到高的頻率下的超聲波進行藥殘清洗降解實驗探究，極大地擴展了平臺的應用範圍，增強了實驗對比度和可靠性，方便了科研人員。
[0007]為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是:一種多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺，它包括控制面板、控制器、第一多路切換開關組、第二多路切換開關組、第三多路切換開關組、第四多路切換開關組、驅動隔離模塊、功率放大模塊、第一匹配變壓器、第二匹配變壓器、五個超聲信號發生器、五個匹配電感和五個分別安裝在相應的反應容器上的換能器；其中，
控制面板，其與控制器連接以實現雙向信號傳輸，用於接收並顯示控制器傳遞的狀態信息和用於選擇工作頻率並將工作頻率信號傳遞給控制器；
控制器，其信號輸出端分別與第一多路切換開關組、第二多路切換開關組、第三多路切換開關組和第四多路切換開關組的控制信號輸入端相連接，用於接收控制面板傳遞的工作頻率信號並產生相應的切換控制信號分別傳遞給第一多路切換開關組、第二多路切換開關組、第三多路切換開關組和第四多路切換開關組；
五個超聲信號發生器，其輸出端分別通過第一多路切換開關組與驅動隔離模塊選擇性連接，用於分別輸出不同頻率的同頻反相信號；
第一多路切換開關組，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的超聲信號發生器和驅動隔離模塊；
驅動隔離模塊，其輸出端與功率放大模塊相連接，用於驅動功率放大模塊正常工作；功率放大模塊，其輸出端通過第二多路切換開關組分別與第一匹配變壓器和第二匹配變壓器選擇性連接；
第二多路切換開關組，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通功率放大模塊和相應的第一匹配變壓器或第二匹配變壓器；
五個匹配電感，其分別與五個超聲信號發生器 對應，並且其中三個匹配電感的輸入端分別通過第三多路切換開關組與第一匹配變壓器選擇性連接，另外兩個匹配電感的輸入端分別通過第四多路切換開關組與第二匹配變壓器選擇性連接，五個匹配電感的輸出端分別與相應的換能器相連接，用於對相對應的換能器進行調諧匹配；
第一匹配變壓器和第二匹配變壓器，用於改變相對應的換能器的阻抗，使其與信源阻抗相匹配，保證相對應的換能器獲得最大的電功率；
第三多路切換開關組，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的匹配電感和第一匹配變壓器；
第四多路切換開關組，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的匹配電感和第二匹配變壓器。
[0008]進一步，所述的五個超聲信號發生器分別為第一超聲信號發生器、第二超聲信號發生器、第三超聲信號發生器、第四超聲信號發生器和第五超聲信號發生器，所述的第一超聲信號發生器輸出頻率為20KHZ的同頻反相信號，所述的第二超聲信號發生器輸出頻率為40KHZ的同頻反相信號，所述的第三超聲信號發生器輸出頻率為80KHZ的同頻反相信號，所述的第四超聲信號發生器輸出頻率為160KHZ的同頻反相信號，所述的第五超聲信號發生器輸出頻率為200KHZ的同頻反相信號。
[0009]進一步，所述的五個匹配電感分別為第一匹配電感、第二匹配電感、第三匹配電感、第四匹配電感和第五匹配電感，第一匹配電感和第一超聲信號發生器相對應，並且其諧振頻率為20KHZ，第二匹配電感和第二超聲信號發生器相對應，並且其諧振頻率為40KHZ，第三匹配電感和第三超聲信號發生器相對應，並且其諧振頻率為80KHZ，第四匹配電感和第四超聲信號發生器相對應，並且其諧振頻率為160KHZ，第五匹配電感和第五超聲信號發生器相對應，並且其諧振頻率為200KHZ。
[0010]進一步，所述的每個超聲信號發生器具有SG3525控制晶片。[0011]進一步，所述的驅動隔離模塊包括全橋逆變電路和隔離變壓器，隔離變壓器具有一個輸入端和兩個輸出端，並且兩個輸出端的線圈纏繞方向反相，全橋逆變電路的輸入端與超聲信號發生器的輸出端相連接，隔離變壓器的輸入端與全橋逆變電路的輸出端相連接，隔離變壓器的兩個輸出端分別與超聲功率放大電路相連接。
[0012]進一步，所述的超聲功率放大電路為半橋型D類功率放大電路。
[0013]更進一步，所述的五個換能器分別貼於相應的反應容器的底部。
[0014]採用了上述技術方案後，由於此超聲波藥殘清洗降解實驗平臺，可以分別在五種頻率下(譬如:20kHz、40 kHz,80 kHz,160 kHz和200 kHz)進行藥殘清洗降解實驗探究，極大擴展了平臺應用範圍，增強了實驗對比度和可靠性，滿足科研人員在不同頻段下五種頻率的藥殘清洗降解實驗探究，並且該平臺結構簡單，控制方便對於加快科研進度，尋找出一套高效、節能、節水、無毒無害的藥殘清洗降解方法具有重要意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺的原理框圖。
【具體實施方式】
[0016]為了使本發明的內容更容易被清楚地理解，下面根據具體實施例並結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明。
[0017]如圖1所示，一種多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺，它包括控制面板、控制器、第一多路切換開關組、第二多路切換開關組、第三多路切換開關組、第四多路切換開關組、驅動隔離模塊、功率放大模塊、第一匹配變壓器、第二匹配變壓器、五個超聲信號發生器、五個匹配電感和五個分別安裝在相應的反應容器上的換能器；其中，
控制面板，其與控制器連接以實現雙向信號傳輸，用於接收並顯示控制器傳遞的狀態信息和用於選擇工作頻率並將工作頻率信號傳遞給控制器；該控制面板具有頻率選擇按鈕以及液晶顯示屏，頻率選擇按鈕可以根據用戶的按鍵選擇發送信息給控制器，同時在液晶顯示屏上顯示當前所用清洗降解藥殘的超聲波頻率。
[0018]控制器，其信號輸出端分別與第一多路切換開關組、第二多路切換開關組、第三多路切換開關組和第四多路切換開關組的控制信號輸入端相連接，用於接收控制面板傳遞的工作頻率信號並產生相應的切換控制信號分別傳遞給第一多路切換開關組、第二多路切換開關組、第三多路切換開關組和第四多路切換開關組；控制器採用MSP430F149單片機，根據控制面板的輸入信息控制三個電子切換開關組的選通，從而實現根據需要選擇藥殘清洗降解的超聲波頻率並驅動相應的換能器工作，另一方面，控制控制面板顯示正確的信息。
[0019]五個超聲信號發生器，其輸出端分別通過第一多路切換開關組與驅動隔離模塊選擇性連接，用於分別輸出不同頻率的同頻反相信號；
第一多路切換開關組，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的超聲信號發生器和驅動隔離模塊；第一多路切換開關組為單刀五擲電子切換開關。
[0020]驅動隔離模塊，其輸出端與功率放大模塊相連接，用於驅動功率放大模塊正常工作；
功率放大模塊，其輸出端通過第二多路切換開關組分別與第一匹配變壓器和第二匹配變壓器選擇性連接；
第二多路切換開關組，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通功率放大模塊和相應的第一匹配變壓器或第二匹配變壓器；第二多路切換開關組為單刀兩擲電子切換開關。
[0021]五個匹配電感，其分別與五個超聲信號發生器一一對應，並且其中三個匹配電感的輸入端分別通過第三多路切換開關組與第一匹配變壓器選擇性連接，另外兩個匹配電感的輸入端分別通過第四多路切換開關組與第二匹配變壓器選擇性連接，五個匹配電感的輸出端分別與相應的換能器相連接，用於對相對應的換能器進行調諧匹配；
第一匹配變壓器和第二匹配變壓器，用於改變相對應的換能器的阻抗，使其與信源阻抗相匹配，保證相對應的換能器獲得最大的電功率；
第三多路切換開關組，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的匹配電感和第一匹配變壓器；第三多路切換開關組為單刀三擲電子切換開關。
[0022]第四多路切換開關組，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的匹配電感和第二匹配變壓器。第四多路切換開關組為單刀兩擲電子切換開關。
[0023]五個超聲信號發生器分別為第一超聲信號發生器、第二超聲信號發生器、第三超聲信號發生器、第四超聲信號發生器和第五超聲信號發生器，所述的第一超聲信號發生器輸出頻率為20KHZ的同頻反相信號，所述的第二超聲信號發生器輸出頻率為40KHZ的同頻反相信號，所述的第三超聲信號發生器輸出頻率為80KHZ的同頻反相信號，所述的第四超聲信號發生器輸出頻率為160KHZ的同頻反相信號，所述的第五超聲信號發生器輸出頻率為200KHZ的同頻反相信號。
[0024]五個匹配電感分別為第一匹配電感、第二匹配電感、第三匹配電感、第四匹配電感和第五匹配電感，第一匹配電感和第一超聲信號發生器相對應，並且其諧振頻率為20KHZ，第二匹配電感和第二超聲信號發生器相對應，並且其諧振頻率為40KHZ，第三匹配電感和第三超聲信號發生器相對應，並且其諧振頻率為80KHZ，第四匹配電感和第四超聲信號發生器相對應，並且其諧振頻率為160KHZ，第五匹配電感和第五超聲信號發生器相對應，並且其諧振頻率為200KHZ。五個匹配電感分別與相應的換能器靜態電容Ctl配合實現調諧匹配。
[0025]第三多路切換開關組用於選擇信號頻率為20 kHz,40 kHz和80 kHz時各自對應的匹配電感和第一匹配變壓器的連接。
[0026]第四多路切換開關組用於選擇信號頻率為160 kHz和200 kHz時各自對應的匹配電感和第二匹配變壓器的連接。
[0027]第一匹配變壓器在20 kHz,40 kHz和80 kHz時實現換能器與前端電路的阻抗匹配。第二匹配變壓器在160 kHz和200 kHz時實現換能器與前端電路的阻抗匹配。
[0028]所述的每個超聲信號發生器具有SG3525控制晶片。並分別通過改變第6腳電阻值，分別產生五種不同頻率的超聲波驅動信號，分別為20kHz、40 kHz,80 kHz,160 kHz和200 kHz。
[0029]為了提高信號的驅動能力，利於驅動後續的超聲功率放大電路，驅動隔離模塊，用於隔離超聲信號發生器和功率放大模塊，包括全橋逆變電路和隔離變壓器，其中，全橋逆變電路的每一半橋的上管為NPN達林頓功率電晶體TIP122，下管為PNP達林頓功率電晶體TIP127，增加超聲信號的功率，提高信號的驅動能力，利於驅動後續的超聲功放電路；隔離變壓器原副線圈匝數比為1: 1，隔離變壓器具有一個輸入端和兩個輸出端，並且兩個輸出端的線圈纏繞方向反相，全橋逆變電路的輸入端與超聲信號發生器的輸出端相連接，隔離變壓器的輸入端與全橋逆變電路的輸出端相連接，隔離變壓器的兩個輸出端分別與超聲功率放大電路相連接。
[0030]所述的超聲功率放大電路為半橋型D類功率放大電路。將前端產生的信號的輸出功率提升到50W。
[0031]所述的五個換能器分別貼於相應的反應容器的底部。所述五個盛放反應液體的反應容器是獨立的，處在同一環境中，五個反應容器完全相同，均由鐵質材料做成，具有相同的形狀、容積、高度和底面積，每個反應容器底部換能器與反應容器都採用直接粘接方式連接，換能器的連接位置均為反應容器底部的中心。
[0032]本裝置的使用過程如下:
首先確定好實驗中需要的頻率，在相應的反應容器中加入適量的去離子水和反應物，並製作好實驗的空白對照樣本，假設實驗選用80kHz的超聲波信號，接著通過控制面板設置頻率，控制器接收到相應信號控制第一多路切換開關組選擇第三超聲信號發生器，控制第二多路切換開關組選擇第一匹配變壓器，控制第三多路切換開關組選擇第三匹配電感。第三超聲信號發生器產生80kHz兩路同頻反相峰值為5V的單極方波信號，經第一多路切換開關組傳送至驅動隔離模塊中的驅動電路，兩路同頻反相峰值為5V的單極方波信號經放大整形為一路峰值為12V的雙極方波信號，信號經由隔離變壓器分成兩路同頻反相信號，驅動與其相連的功率放大模塊，功率放大模塊輸出端連接第二多路切換開關組，頻率為SOkHz時第二多路切換開關組連接第一匹配變壓器，功率放大模塊的源電壓為220V交流電整流濾波後的電壓(340V左右)，將其放大後在功率放大模塊輸出端通過第二多路切換開關組送入第一匹配變壓器，用於實現與換能器電路的阻抗匹配，第一匹配變壓器輸出端連接第三多路切換開關組，頻率為80kHz時第三多路切換開關組連接五組匹配電感中的第三匹配電感，第三匹配電感用於實現與相應的換能器的調諧匹配，第三匹配電感輸出端連接藥殘清洗降解反應容器底部的換能器，在超聲驅動信號的作用下換能器將輸入的超聲電信號轉化為高頻機械振動並帶動反應容器振動，從而使反應容器中的液體發生超聲空化效應，對蔬果表面上的藥殘進行清洗和降解。實驗結束後進行數據採集和分析，隨後改變實驗所用超聲波的頻率，重複以上的步驟。最後對所有採集到的數據進行分析和歸納，進行實驗課題的探究。
[0033]以上所述的具體實施例，對本發明解決的計算問題、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺，其特徵在於:它包括控制面板、控制器、第一多路切換開關組、第二多路切換開關組、第三多路切換開關組、第四多路切換開關組、驅動隔離模塊、功率放大模塊、第一匹配變壓器、第二匹配變壓器、五個超聲信號發生器、五個匹配電感和五個分別安裝在相應的反應容器上的換能器；其中， 控制面板，其與控制器連接以實現雙向信號傳輸，用於接收並顯示控制器傳遞的狀態信息和用於選擇工作頻率並將工作頻率信號傳遞給控制器； 控制器，其信號輸出端分別與第一多路切換開關組、第二多路切換開關組、第三多路切換開關組和第四多路切換開關組的控制信號輸入端相連接，用於接收控制面板傳遞的工作頻率信號並產生相應的切換控制信號分別傳遞給第一多路切換開關組、第二多路切換開關組、第三多路切換開關組和第四多路切換開關組； 五個超聲信號發生器，其輸出端分別通過第一多路切換開關組與驅動隔離模塊選擇性連接，用於分別輸出不同頻率的同頻反相信號； 第一多路切換開關組，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的超聲信號發生器和驅動隔離模塊； 驅動隔離模塊，其輸出端與功率放大模塊相連接，用於驅動功率放大模塊正常工作；功率放大模塊，其輸出端通過第二多路切換開關組分別與第一匹配變壓器和第二匹配變壓器選擇性連接； 第二多路切換開關組，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通功率放大模塊和相應的第一匹配變壓器或第二匹配變壓器； 五個匹配電感，其分別與五個超聲信號發生器對應，並且其中三個匹配電感的輸入端分別通過第三多路切換開關組與第一匹配變壓器選擇性連接，另外兩個匹配電感的輸入端分別通過第四多路切換開關組與第二匹配變壓器選擇性連接，五個匹配電感的輸出端分別與相應的換能器相連接，用於對相對應的換能器進行調諧匹配； 第一匹配變壓器和第二匹配變壓器，用於改變相對應的換能器的阻抗，使其與信源阻抗相匹配，保證相對應的換能器獲得最大的電功率； 第三多路切換開關組，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的匹配電感和第一匹配變壓器； 第四多路切換開關組，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的匹配電感和第二匹配變壓器。
2.根據權利要求1所述的多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺，其特徵在於:所述的五個超聲信號發生器分別為第一超聲信號發生器、第二超聲信號發生器、第三超聲信號發生器、第四超聲信號發生器和第五超聲信號發生器，所述的第一超聲信號發生器輸出頻率為20KHZ的同頻反相信號，所述的第二超聲信號發生器輸出頻率為40KHZ的同頻反相信號，所述的第三超聲信號發生器輸出頻率為80KHZ的同頻反相信號，所述的第四超聲信號發生器輸出頻率為160KHZ的同頻反相信號，所述的第五超聲信號發生器輸出頻率為200KHZ的同頻反相信號。
3.根據權利要求2所述的多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺，其特徵在於:所述的五個匹配電感分別為第一匹配電感、第二匹配電感、第三匹配電感、第四匹配電感和第五匹配電感，第一匹配電感和第一超聲信號發生器相對應，並且其諧振頻率為20KHZ，第二匹配電感和第二超聲信號發生器相對應，並且其諧振頻率為40KHZ，第三匹配電感和第三超聲信號發生器相對應，並且其諧振頻率為80KHZ，第四匹配電感和第四超聲信號發生器相對應，並且其諧振頻率為160KHZ，第五匹配電感和第五超聲信號發生器相對應，並且其諧振頻率為 200KHZ。
4.根據權利要求1所述的多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺，其特徵在於:所述的每個超聲信號發生器具有SG3525控制晶片。
5.根據權利要求1所述的多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺，其特徵在於:所述的驅動隔離模塊包括全橋逆變電路和隔離變壓器，隔離變壓器具有一個輸入端和兩個輸出端，並且兩個輸出端的線圈纏繞方向反相，全橋逆變電路的輸入端與超聲信號發生器的輸出端相連接，隔離變壓器的輸入端與全橋逆變電路的輸出端相連接，隔離變壓器的兩個輸出端分別與超聲功率放大電路相連接。
6.根據權利要求1所述的多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺，其特徵在於:所述的超聲功率放大電路為半橋型D類功率放大電路。
7.根據權利要求1所述的多頻率超聲波藥殘清洗降解實驗平臺，其特徵在於:所述的五個換能器分別貼於相應 的反應容器的底部。
【文檔編號】G09B19/00GK103559814SQ201310557648
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】黃波, 徐斐, 朱進, 朱昌平, 高遠, 高瑩, 殷明 申請人:河海大學常州校區