專利名稱：產(chǎn)生用于處理流動液體的衰減振蕩磁脈沖的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及流動的水或其它液體的處理，具體來講涉及使用衰減振蕩磁脈沖來處理這種液體。
背景技術(shù)：
在過去，為了減少液體的水垢形成傾向、為了減少包含在液體中的活的微生物的數(shù)量或者為了其它目的，已經(jīng)提出了通過電磁通量來處理液體的各種不同的設(shè)備和方法。例如，在轉(zhuǎn)讓給ClearwaterSystems，LLC的美國專利No.6,063,267中披露了通過電磁通量來處理流動液體的裝置，其披露的內(nèi)容在此通過引用而并入。
這些現(xiàn)有設(shè)備中的一些已經(jīng)使用了用于產(chǎn)生磁通量的靜止或可移動永磁體，以及其它設(shè)備已經(jīng)使用了相對于傳導(dǎo)液體的管道以各種不同方法配置的電線圈，利用通過直流電源或交流電源供電的線圈來產(chǎn)生用作液體處理因子的電磁通量。在使用電磁通量的設(shè)備的情況下，從美國專利No.5,702,600可知，提供了一種包括圍繞液體導(dǎo)管的不同分離縱向部分的多個電線圈的裝置，其中的兩個線圈在彼此之上纏繞，二極管在電路中與線圈和電源連接，使得來自電源的電流只在一個電壓極性的交替的半周期期間傳導(dǎo)通過線圈，隨著二極管導(dǎo)通的每半周期的結(jié)束，具有衰減振蕩特性的電流明顯流過每個線圈。然而，產(chǎn)生的衰減振蕩電流和電磁通量看起來是微弱的并且持續(xù)時間很短，從而產(chǎn)生的效果不明顯。
當電流使極性反向時，使用衰減振蕩磁脈沖來處理流動液體的現(xiàn)有系統(tǒng)使用二極管開關(guān)來中斷線圈電流。例如，當電流被二極管阻止時，因為在線圈電容上仍然保留有電壓，現(xiàn)有模擬控制系統(tǒng)在線圈電壓上產(chǎn)生相對小的衰減振蕩脈沖。修改該模擬控制系統(tǒng)以產(chǎn)生是上述以前的模擬控制系統(tǒng)的電壓的十倍的更大“衰減振蕩”電壓。該設(shè)計使用一個開關(guān)來代替二極管，該開關(guān)包括多達十個并行連接的450伏MOSFET。該開關(guān)在線圈電流達到零之前中斷電流流動，將存儲的磁能留在線圈中以便激勵較大的“衰減振蕩”脈沖。使用該方法，需要能電氣關(guān)斷的開關(guān)，并且該開關(guān)傾向于是具有相對高的“011狀態(tài)”電阻的低電流器件。因此，需要并聯(lián)的十個開關(guān)來處理全線圈電流。
為了提高相對于上述現(xiàn)有模擬控制系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性，開發(fā)了數(shù)字控制系統(tǒng)。但是，仍然需要降低這種數(shù)字控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。
因此，本發(fā)明的總的目的是，提供一種使用衰減振蕩磁脈沖來處理液體的系統(tǒng)和方法，其克服了現(xiàn)有處理液體的系統(tǒng)和方法的上述缺點和不利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種產(chǎn)生用于處理流動液體的衰減振蕩磁脈沖的方法。提供電感線圈和與該線圈串聯(lián)連接的可控硅整流器(SCR)以形成第一電氣回路。諸如MOSFET等的電控開關(guān)與所述線圈串聯(lián)連接以形成第二電氣回路。優(yōu)選地所述開關(guān)通常與SCR并聯(lián)電連接。將AC電壓信號施加給所述線圈。所述AC電壓信號具有包括第一半周期和與第一半周期的極性相反的第二半周期的周期。當SCR被正向偏置時，在第一半周期的至少一部分期間，傳導(dǎo)電流通過第一回路，同時阻止電流傳導(dǎo)通過第二回路。當SCR被反向偏置時，在第二半周期的第一部分期間，傳導(dǎo)電流通過第二回路，同時阻止電流傳導(dǎo)通過第一回路。當流過線圈的電流達到預(yù)定值時，在第二半周期的第二部分期間阻止電流流過第二回路，以便中斷流過線圈的電流并從而產(chǎn)生衰減振蕩磁脈沖。
本發(fā)明還提供一種用于產(chǎn)生衰減振蕩磁脈沖的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括由AC電壓信號供電的電感線圈，該AC電壓信號具有包括第一半周期和與第一半周期的極性相反的第二半周期的周期?？煽毓枵髌?SCR)與線圈串聯(lián)連接以形成第一電氣回路。電控開關(guān)與線圈串聯(lián)連接以形成第二電氣回路。所述開關(guān)一般與SCR并聯(lián)電連接。該系統(tǒng)還包括用于當SCR被正向偏置時，在第一半周期的至少一部分期間傳導(dǎo)電流通過第一回路，同時阻止電流傳導(dǎo)通過第二回路的裝置。提供用于當SCR被反向偏置時，在第二半周期的第一部分期間傳導(dǎo)電流通過第二回路，同時阻止電流傳導(dǎo)通過第一回路的裝置。該系統(tǒng)還包括用于當流過線圈的電流達到預(yù)定值時，在第二半周期的第二部分期間阻止電流流過第二回路，以便中斷流過線圈的電流并從而產(chǎn)生衰減振蕩磁脈沖的裝置。
本發(fā)明還提供在所附的權(quán)利要求中闡述的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和操作方法的其它細節(jié)，并且根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的以下詳細描述、附圖和權(quán)利要求本身，這些細節(jié)將變得很明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明，用于產(chǎn)生處理流動液體的衰減振蕩磁脈沖的系統(tǒng)的示意性電路圖。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的單個大衰減振蕩脈沖的示波器描跡。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的跟隨有不止一個大衰減振蕩脈沖的“自然”衰減振蕩脈沖的示波器描跡。
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的一系列六個全的大衰減振蕩脈沖的示波器描跡。
具體實施例方式
參考附圖，由附圖標記10總體表示根據(jù)本發(fā)明的用于產(chǎn)生處理流動液體的衰減振蕩磁脈沖的系統(tǒng)。系統(tǒng)10包括具有第一和第二輸出端子14、16的輸入電源變壓器12、線圈IS、SCR 20、三端雙向可控硅開關(guān)元件22、用作電控開關(guān)的MOSFET 24、電流水平開關(guān)26、峰值電壓檢測器28和可編程數(shù)字微控制器30。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以修改用于產(chǎn)生衰減振蕩磁脈沖的數(shù)字控制系統(tǒng)，以便成為通過用單個可控硅整流器(SCR)開關(guān)來代替MOSFET開關(guān)組件的較簡單結(jié)構(gòu)并且成本較低。SCR相對于MOSFET可提供較高額定電流并且損耗較低，并且單個器件能容易地處理線圈電流。但是，SCR不能像MOSFET那樣被電關(guān)斷，使得必須通過不同于中斷線圈電流脈沖的其它方式來產(chǎn)生高電壓“衰減振蕩”脈沖，以下將進行更充分的闡述。
再次參考附圖，具有并聯(lián)連接的電感和電容的線圈18具有耦合到變壓器12的第一端子14的第一端。這里所說的電容可以是線圈的電容并且在這里被認為只包括線圈的電容，但是，在一些線圈中，雜散電容可以由與線圈平行轉(zhuǎn)換的離散電容器來補充。SCR 20具有與線圈18的第二端31耦合的陰極，以及與變壓器12的第二輸出端子16耦合的陽極。如圖所示，SCR 20的陽極與電氣地耦合。三端雙向可控硅開關(guān)元件22用作SCR的柵極開關(guān)。如圖所示，三端雙向可控硅開關(guān)元件22是具有經(jīng)由柵極電阻34與SCR 20的柵極耦合的第一端子32和與地電勢耦合的第二端子36的光耦合三端雙向可控硅開關(guān)元件。三端雙向可控硅開關(guān)元件22還包括發(fā)光二極管(LED)38，當被激勵發(fā)光時閉合柵極開關(guān)，以便使電流在三端雙向可控硅開關(guān)元件22的第一和第二端子32、36之間流動。
微控制器30包括經(jīng)由電阻42與LED 38的陽極耦合的第一輸出40、與電流水平開關(guān)26耦合的第二輸出44和與峰值電壓檢測器28耦合的第三輸出46。電流水平開關(guān)26包括與微控制器30耦合的第一輸出48和與MOSFET 24的柵極耦合的第二輸出50。峰值電壓檢測器28包括與微控制器30耦合的輸出52。數(shù)控電流參考分壓器54與電流水平開關(guān)26的輸入耦合，并且可由微控制器30調(diào)整。數(shù)控電壓參考分壓器56與峰值電壓檢測器28耦合，并可由微控制器30調(diào)整。
諸如所述的襯底與源極連接的n-溝道IGFET的MOSFET 24包括與地電勢耦合的源極，以及經(jīng)由電流感測電阻58與線圈18的第二端31耦合的漏極。高電壓肖特基二極管60具有與線圈18的第二端31耦合的陽極和與峰值電壓檢測器28的輸入62耦合的陰極。
系統(tǒng)10一般優(yōu)選安裝在印刷電路板(未示出)上。但是，兩個元件，即線圈18和電源變壓器12優(yōu)選位于印刷電路板(PCB)之外。變壓器12提供50-60Hz的AC電壓來向線圈18供電。PCB上的主供電元件是SCR 20，其優(yōu)選是熱沉的并且用作可控二極管。當普通二極管被正向偏置(相對于陰極陽極為正電壓)時，其傳導(dǎo)電流。當SCR被正向偏置時，其將不傳導(dǎo)電流，除非柵極(控制)引線也被正向偏置。如果SCR和普通二極管都被反向偏置，那么二者都將阻止電流。
當SCR柵極引線與其陽極(經(jīng)由電阻器)連接時，當SCR陽極相對于其陰極為正時，SCR將傳導(dǎo)電流。這在負電壓半周期中出現(xiàn)(在圖中SCR陽極被認為是電路地)。由于線圈18在60Hz主要是電感性的(具有一些小的內(nèi)電阻)，對于正電壓半周期的大部分，負電流將繼續(xù)流過。當電流降為零時，與二極管整流器一樣，SCR 20將阻止正電流流過(從陰極到陽極)。當SCR 20關(guān)斷時，在正電壓半周期的剩余期間，SCR上的電壓將跳到正電平。在該正電壓周期中，微控制器30在線圈18內(nèi)產(chǎn)生諧振電流和電壓脈沖。
當SCR 20關(guān)斷時，通過首先在正電壓周期中的任何時間將MOSFET固態(tài)開關(guān)24閉合一段短暫時間，來產(chǎn)生線圈18兩端的衰減振蕩電壓脈沖。通過經(jīng)由電流水平開關(guān)26向MOSFET 24的控制電極或柵極施加正電壓來使MOSFET 24閉合或使其導(dǎo)通。當MOSFET 24閉合時，將在線圈18中建立正電流(由電流感測電阻58的值和線圈18的電感來確定上升時間)。當電流水平達到指定觸發(fā)值時，MOSFET開關(guān)24突然被電流水平開關(guān)26開路(電流水平開關(guān)從MOSFET24的柵極去除正電壓，這使MOSFET變?yōu)椴粚?dǎo)通)。線圈18的電感和電容值將確定得到的線圈內(nèi)流動的諧振電流的頻率和在SCR 20的兩端看到的衰減振蕩電壓的幅度。衰減振蕩的衰減時間由線圈18的內(nèi)部電阻確定。在正電壓期間可以產(chǎn)生多個衰減振蕩脈沖(其數(shù)量主要由線圈諧振的衰減時間來限定)。在正電壓期間，SCR 20的柵極電阻34必須與SCR的陽極斷開，以阻止當產(chǎn)生衰減振蕩脈沖時SCR接通-這會快速終止該衰減振蕩。嘗試了切換柵極電阻器34的多種方法(諸如直接或光學耦合的MOSFET和晶體管)，所有這些方法都呈現(xiàn)出操作和性能問題。確定用于切換柵極電阻器34的最佳方法是光學耦合的三端雙向可控硅開關(guān)元件(如圖所示)。只需要在負電壓半周期開始之前激勵三端雙向可控硅開關(guān)元件22。一旦電流開始在SCR 20中流動，就可以斷電三端雙向可控硅開關(guān)元件22。SCR 20將繼續(xù)導(dǎo)通直到電流下降到零并且SCR兩端的陰極-到-陽極電壓為正。有趣的是，當SCR 20關(guān)斷時，線圈18中出現(xiàn)小的衰減振蕩脈沖，這是由存儲在線圈電容中的電荷引起的。
主要使用與峰值電壓檢測器28和電流水平開關(guān)26耦合的可編程數(shù)字微控制器30并在峰值電壓檢測器28和電流水平開關(guān)26的輔助下來實現(xiàn)系統(tǒng)10的操作。微控制器30不直接與線圈18、SCR 20和MOSFET 24連接-微控制器也不直接觀察線圈電壓水平。通過高電壓肖特基二極管60將線圈電壓提供給電流水平開關(guān)26和峰值電壓檢測器28。電流水平開關(guān)26和峰值電壓檢測器28將收到的電壓水平分別與由數(shù)控分壓器54、56設(shè)置的參考電壓水平進行比較，以便確定其動作。
峰值電壓檢測器28的主要功能是比較線圈衰減振蕩電壓信號的電平和由與峰值電壓檢測器相關(guān)的數(shù)字分壓器56設(shè)置的參考電平。如果峰值電平超過給定參考電平，則峰值電壓檢測器28將存儲該事件使得其稍后可被微控制器30讀取。在其由微控制器30讀取之后，存儲的事件被清除。使用峰值電壓檢測器28來確定峰值電壓超過最小期望值并且其沒有超過最大值。峰值電壓檢測器28的第二功能是確定啟動時變壓器電壓的值。微控制器30需要知道變壓器電壓，因為衰減振蕩信號重疊在變壓器電壓之上。當設(shè)置參考電壓時，將變壓器電壓讀數(shù)與所需的衰減振蕩電壓水平相加。
電流水平開關(guān)26控制用于產(chǎn)生線圈衰減振蕩脈沖的MOSFET24。微控制器30向電流水平開關(guān)26發(fā)送觸發(fā)脈沖，以便啟動衰減振蕩。當被觸發(fā)時，電流水平開關(guān)26使MOSFET 24的柵極引線上的電壓上升，從而將其接通。MOSFET 24的“接通”電阻比電流感測電阻器58的值小得多。MOSFET 24保持“接通”，直到電流感測電阻器58的線圈連接處(SCR 20的陰極)的電壓超過由與電流水平開關(guān)26相關(guān)的電流參考分壓器54設(shè)置的參考電壓。與確保MOSFET 24關(guān)斷的電流值對于給定分壓器設(shè)置是可重復(fù)的相比，電阻58和參考電壓的值不那么重要。微控制器30的作用是，調(diào)整電流水平開關(guān)26的分壓器54以便實現(xiàn)線圈“衰減振蕩”的所需電壓水平。
在包含在微控制器內(nèi)的軟件中執(zhí)行微控制器30的所有操作?，F(xiàn)在來描述該軟件程序的功能。當首先對系統(tǒng)10加電時，SCR 20和MOSFET 24都關(guān)斷(即，沒有電流流過線圈18)。微控制器30的第一任務(wù)是測試來自變壓器12的線圈電源電壓的存在。這可以通過將峰值電壓檢測器28設(shè)置為低電平并監(jiān)視輸出來完成?？蛇x擇方法是監(jiān)視在電流水平開關(guān)26中提供的抽頭，當線圈電壓為負時其讀取零，而當線圈電壓變?yōu)檎龝r其上升到+5V。微控制器30在行動前等待直到其觀察到兩個交替的50-60Hz電源線電壓周期。當檢測到AC線圈電壓時，微控制器30在其使電壓參考分壓器56的電平上升的同時，通過監(jiān)視峰值電壓檢測器28的輸出來測量其峰值電平。將峰值電平讀數(shù)保留在微控制器30中并被用作偏移，用于調(diào)整產(chǎn)生的重疊在線圈電源電壓之上的衰減振蕩脈沖的電平。
下一個軟件任務(wù)是接通SCR 20，這是每個電壓周期發(fā)生一次的周期性任務(wù)。就在正電壓周期結(jié)束之前(在該“正”周期期間，SCR的陽極-到-陰極電壓為負，因為SCR陽極被用作地-參考)，通過對其光耦合的LED38供電，來接通SCR的柵極開關(guān)或三端雙向可控硅開關(guān)元件22。當SCR 20兩端的負電壓接近2伏時，SCR將開始傳導(dǎo)電流，此時，去除對柵極開關(guān)LED 38的供電。SCR 20將在不對柵極開關(guān)22供電上保持鎖定，直到SCR 20的電流下降為零。
通過第二周期性軟件任務(wù)來產(chǎn)生衰減振蕩脈沖。該任務(wù)等待直到SCR 20關(guān)斷并且檢測到正線圈電壓(其是接近峰值線圈電壓高度的突跳)。該任務(wù)等待幾毫秒，以便允許(當SCR 20關(guān)斷時出現(xiàn)的)小的線圈衰減振蕩逐漸消失。為了產(chǎn)生高電壓衰減振蕩脈沖，所述軟件將觸發(fā)信號發(fā)送到電流水平開關(guān)26，其接通MOSFET 24，允許正電流在線圈18中上升。所述任務(wù)監(jiān)視電流水平開關(guān)26，等待電流水平開關(guān)發(fā)出電流水平已經(jīng)上升到觸發(fā)點并且MOSFET 24已經(jīng)關(guān)斷的信號。所述任務(wù)等待幾毫秒，以便確保在行動前線圈衰減振蕩已經(jīng)逐漸消失。在正線圈電壓周期內(nèi)可以產(chǎn)生六個衰減振蕩脈沖。
在負電壓周期期間，微控制器30確定峰值電壓檢測器28是否已被觸發(fā)，這表示衰減振蕩信號超過了在電壓參考分壓器56中設(shè)置的參考電平?？梢詫㈦妷簠⒖挤謮浩?6設(shè)置為最小或最大的所需峰值電壓水平。如果將電壓參考分壓器56設(shè)置為最小峰值電壓，并且峰值電壓檢測器28還沒有被觸發(fā)，則微控制器30將增大電流參考分壓器54的電平并且使電壓參考分壓器56保持在最小電平。如果電壓參考分壓器56被設(shè)置為最小峰值電壓，并且峰值電壓檢測器28已經(jīng)被觸發(fā)，則微控制器30將保持電流參考分壓器54的電平并且將電壓參考分壓器56改變?yōu)樽畲箅娖?。如果將電壓參考分壓?6設(shè)置為最大電平，并且峰值電壓檢測器28已經(jīng)被觸發(fā)，則微控制器30將減小電流參考分壓器54的電平并且將電壓參考分壓器56保持在最大電平。如果將電壓參考分壓器56設(shè)置為最大電平，并且峰值電壓檢測器28還沒有被觸發(fā)，則微控制器30將保持電流參考分壓器54的電平并且將電壓參考分壓器56改變?yōu)樽钚‰娖?。上述動作將在最小和最大所需值之間移動并保持衰減振蕩脈沖的峰值電壓水平。上述邏輯方式用作用于衰減振蕩電壓脈沖的數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器。
同時，在負電壓周期期間，微控制器30讀取附加到SCR 20的熱沉的負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻(未示出)的電阻值。如果電阻下降到低于折合到為SCR的熱沉指定的最大溫度(其低于SCR的破壞電平)的值，微控制器30將關(guān)斷SCR并且停止產(chǎn)生衰減振蕩脈沖。微控制器30將繼續(xù)周期性地讀取熱敏電阻，并且當確定SCR溫度下降到安全水平時，微控制器將自動恢復(fù)操作。在印刷電路板底部可以是兩種狀態(tài)的LED(未示出)-最好是一個紅色一個綠色-可通過控制器蓋中的孔看到。當微控制器30已經(jīng)確定衰減振蕩脈沖的電壓水平在所需范圍內(nèi)時，綠色LED被點亮，否則紅色LED被點亮。優(yōu)選地提供單極雙擲繼電器觸點(未示出)，用于遠程監(jiān)視所述狀態(tài)-當綠色LED被點亮時，為繼電器供電。
上述SCR開關(guān)的電路的功能如下SCR(可控硅整流器)用作具有可控接通能力的二極管。當在“正向”(相對于陰極正向偏置的陽極為正)施加電壓時，二極管將傳導(dǎo)電流。然而，如果電流不在其“柵極”電路中流過，則當正向偏置時，SCR也不導(dǎo)通。如果不施加柵極電流，SCR即使當正向偏置時也將阻止電流的流動。當電流流動的方向相反(陰極到陽極是相反電流方向)時，SCR和二極管都將阻止電流的流動。在已經(jīng)接通SCR之后，不能通過去除其柵極電流來關(guān)斷SCR。只能通過使電流流動方向相反來關(guān)斷SCR。在此，其作用與硅二極管(整流器)相同。因此其名稱為“可控硅整流器”。
使用此作為背景，Dolphin處理的正常周期如下。線圈、變壓器和SCR開關(guān)都串聯(lián)連接。當時變(每秒50或60個周期)變壓器電壓向SCR施加正向偏置時，施加柵極電流并且SCR傳導(dǎo)電流通過線圈。當導(dǎo)通時，SCR從陽極到陰極具有很低的電壓降(一般小于或等于1伏)，使得其用作幾乎完美的開關(guān)。在現(xiàn)有器件的電路板上，MOSFET(金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管)被用作開關(guān)，并且這些MOSFET比SCR具有更大的“正向”電壓降，并且比SCR消耗更多熱量。因此，在現(xiàn)有器件中，使用十個并行連接的MOSFET來承載線圈電流，而在根據(jù)本發(fā)明的器件中，單個SCR將具有相同的作用，具有較低的總功率損耗。
當線圈電流試圖反向時，SCR關(guān)斷并且允許電壓在其兩端上升，與二極管相同。當電流反向時，SCR將阻止電流流過。因為線圈兩端的電壓和電流彼此相位相差幾乎90度，當在線圈兩端仍然存在相當大的電壓時，電流通過零(反向)。這使得線圈可以由于存儲在其雜散電容中的能量而在低電壓水平“衰減振蕩”。在該初始的小的或自然的“衰減振蕩”脈沖逐漸消失之后，允許通過閉合MOSFET開關(guān)在線圈中構(gòu)建小的電流。該開關(guān)不承載主線圈電流，所以小的開關(guān)可用于這種“再充電”功能。
當該電流已經(jīng)達到預(yù)置水平時，關(guān)斷MOSFET，并且線圈電壓再次“衰減振蕩”，這次根據(jù)允許構(gòu)建的電流的量，在較高電壓水平產(chǎn)生大的衰減振蕩脈沖。調(diào)節(jié)器電路測量該“衰減振蕩”電壓的峰值并與所需值進行比較，其中，所需值作為數(shù)值存儲在電路板上的微處理器芯片中。如果電壓太低，則在衰減振蕩脈沖已經(jīng)消失之后，微處理器再次接通MOSFET并且在較長時間保持其“接通”，允許比以前構(gòu)建更多的線圈電流。然后，關(guān)斷MOSFET，并且重復(fù)大的衰減振蕩脈沖。
如果脈沖電壓太高，則微處理器對于下一個脈沖減少MOSFET開關(guān)的“接通時間”，使得構(gòu)建較少的線圈電流。然后MOSFET關(guān)斷，再次測量衰減振蕩電壓。當衰減振蕩電壓已經(jīng)達到所需水平時(其落入微處理器中存儲的電壓的“窗口”范圍內(nèi))，調(diào)節(jié)器“記住”這一點，并且調(diào)節(jié)器將用于后續(xù)脈沖的MOSFET的“接通”時間固定在該值，除非脈沖電壓再次漂移到所述“窗口”之外。如果在操作期間線圈電阻隨著線圈溫度的改變而改變，則這種情況會發(fā)生。如果發(fā)生了這種情況，則重復(fù)前述步驟，直到電壓再次在“窗口”之內(nèi)。在SCR開關(guān)被來自電源變壓器的施加的電路電壓反向偏置的間隔期間，產(chǎn)生所有大的“衰減振蕩”脈沖。SCR允許衰減振蕩脈沖發(fā)生(在該間隔期間柵極電流為零)，即使衰減振蕩脈沖電壓有時將使SCR電壓轉(zhuǎn)換為“正向”偏置條件。當這種情況發(fā)生時，與二極管不同，SCR將不接通，因為其柵極電流被柵極驅(qū)動開關(guān)保持為零。不能使用二極管開關(guān)，因為其將導(dǎo)通并破壞“衰減振蕩”脈沖。
可以將幾個大的衰減振蕩脈沖插入在該反向偏置時間間隔中。如果需要更多電壓，則增加存儲在微處理器中的“電壓窗口”數(shù)量。然后調(diào)節(jié)器如上進行操作，以迫使電壓向上。則需要更多的時間用電流來“充電”線圈，因此在間隔中可以產(chǎn)生更少脈沖；反之亦然。
可以使用其它技術(shù)來產(chǎn)生與上述相似的衰減振蕩脈沖。如上所述，優(yōu)選的技術(shù)使用線圈的電感作為能量存儲元件，以便產(chǎn)生衰減振蕩電壓，因此其比必須將能量存儲在其它地方的方法要簡單。然而，可以使用存儲所需脈沖能量的任何器件來產(chǎn)生衰減振蕩脈沖。例如，可以將電容器充電到150伏(或任何其它所需電壓)，并且在線圈電流的“關(guān)斷時間”切換到線圈兩端。這也將產(chǎn)生衰減振蕩脈沖，但是其需要高的電壓電源和額外的電容器。該方法還會增大“衰減振蕩”電路中的電容，并且造成比我們的方法更低的“衰減振蕩”頻率。優(yōu)選的方法使用線圈的不可避免的“雜散”電容作為諧振電容，并產(chǎn)生最高的可能的衰減振蕩頻率。
如圖1所示并且如上所述的器件的性能的一系列測試使用工作臺上的數(shù)字示波器產(chǎn)生圖2、3和4所示的結(jié)果?？梢钥闯?，本發(fā)明的控制電路可以將幾個(在這種情況下為六個)大的衰減振蕩脈沖固定在變壓器電流脈沖之間的可用“關(guān)斷”時間窗口內(nèi)?？梢酝ㄟ^經(jīng)由計算機編程接口輸入一個數(shù)到控制程序來選擇大的衰減振蕩脈沖的數(shù)量。圖2示出來自組的單個脈沖；左側(cè)的打印表示兩個水平光標線(白色)，以208伏相隔。掃描速度是100μs/刻度。電壓標尺是50V/刻度。
在圖3中看出，當SCR關(guān)斷時，第一個“自然”衰減振蕩的峰-峰值大約為75伏。然后到來由控制電路引起的大的衰減振蕩，大的衰減振蕩脈沖的電壓比小的“自然”衰減振蕩脈沖大三到四倍之間。注意，在圖3中可看到不止一個大的衰減振蕩脈沖。這里掃描速度是200μs/刻度并且電壓標尺是50V/刻度。
最后，在圖4中可以看到全部六個大的衰減振蕩脈沖。這些適合用于該尺寸(一英寸)器件的接近8毫秒的“SCR關(guān)斷”時間。使用較大的線圈，該時間可以更短并將適于更少脈沖。這里掃描速度為2ms/刻度，并且電壓標尺是50V/刻度。
總之，實現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法使用SCR來處理主線圈電流并使用單個MOSFET開關(guān)在主電流脈沖結(jié)束之后使相對小的電流流過電流線圈。然后通過關(guān)斷該開關(guān)來產(chǎn)生一個或多個大的衰減振蕩脈沖。在通過線圈的電流為零的間隔期間，可以用這種方式產(chǎn)生幾個衰減振蕩脈沖，并且已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)生高達六個脈沖。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，對本發(fā)明的上述實施例進行多種修改和替換。因此，本說明書的上述部分是為了說明起見，不應(yīng)該是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種用于電磁處理液體流的方法，所述方法包括提供線圈裝置，該線圈裝置圍繞所述流并具有彼此并聯(lián)的電感和電容；提供AC電壓源，具有包括一個極性的第一半周期和與第一半周期極性相反的第二半周期的周期；將第一開關(guān)與AC電壓源和線圈裝置串聯(lián)連接；控制第一開關(guān)，以便在AC電壓源的每個第一半周期的至少一部分期間，傳導(dǎo)來自AC電壓源的電流在一個方向上通過第一開關(guān)和線圈裝置，以及在AC電壓源的每個第二半周期期間，不傳導(dǎo)電流在與所述一個方向相反的方向上通過第一開關(guān)；以及在AC電壓源的每個第二半周期期間，執(zhí)行下列連續(xù)子步驟至少一次首先將電能源與所述線圈裝置連接以便向線圈裝置添加電能，然后使所述電能源與所述線圈裝置斷開，以便在所述線圈裝置中產(chǎn)生衰減振蕩電流脈沖。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一開關(guān)是可控硅整流器(SCR)，與線圈裝置和AC電壓源形成第一電氣回路。
3.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，還包括在AC電壓源的每個第二半周期執(zhí)行至少一個連續(xù)子步驟的所述步驟是通過提供與線圈裝置和AC電壓源串聯(lián)連接的電控開關(guān)以形成第二電氣回路來實現(xiàn)的；當SCR被正向偏置時，在第一半周期的至少一部分期間傳導(dǎo)電流通過第一回路，同時阻止電流傳導(dǎo)通過第二回路；當SCR被反向偏置時，在第二半周期的第一部分期間傳導(dǎo)電流通過第二回路，同時阻止電流傳導(dǎo)通過第一回路；以及當流過線圈的電流達到預(yù)定值時，在第二半周期的第二部分期間阻止電流流過第二回路，以便中斷電流流過線圈并從而產(chǎn)生衰減振蕩磁脈沖。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，提供電控開關(guān)的步驟包括提供電控開關(guān)以便與SCR電氣并聯(lián)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，提供電控開關(guān)的步驟包括提供MOSFET。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，控制第一開關(guān)的步驟包括將觸發(fā)信號發(fā)送到SCR的柵極，以及在SCR變?yōu)閷?dǎo)通后隨即從柵極去除所述觸發(fā)信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，發(fā)送觸發(fā)信號的步驟包括步驟啟動三端雙向可控硅開關(guān)元件以便將觸發(fā)信號傳遞給SCR的柵極，此后，使三端雙向可控硅開關(guān)元件失效，以便從SCR的柵極去除觸發(fā)信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括調(diào)節(jié)衰減振蕩電流脈沖的電壓的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述調(diào)節(jié)步驟包括調(diào)節(jié)衰減振蕩電流脈沖的電壓，使其位于預(yù)定最小值和預(yù)定最大值之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述調(diào)節(jié)步驟還包括測量啟動時線圈裝置兩端的AC電壓，并使用啟動時的AC電壓作為偏移。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，還包括步驟在執(zhí)行傳導(dǎo)電流通過第一和第二回路的步驟之前，啟動時完成預(yù)定數(shù)量的AC電壓信號周期。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括步驟監(jiān)視SCR的溫度，并且當SCR的溫度超過預(yù)定最大值時，隨即停止傳導(dǎo)電流通過SCR。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括當SCR的溫度降低到低于預(yù)定最大值時，恢復(fù)可控傳導(dǎo)電流通過SCR。
14.一種用于電磁處理流動液體的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括圍繞液體流的線圈裝置；AC電源；與線圈裝置和AC電源串聯(lián)連接的開關(guān)設(shè)備，所述開關(guān)設(shè)備包括彼此并聯(lián)連接的第一和第二開關(guān)裝置；用于控制第一和第二開關(guān)裝置的操作的控制裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述控制裝置包括編程的數(shù)字微控制器。
16.一種用于電磁處理液體流的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括線圈裝置，該線圈裝置圍繞所述流并具有彼此并聯(lián)的電感和電容；開關(guān)裝置，與線圈裝置串聯(lián)連接以形成串聯(lián)連接組合；AC電源，連接在串聯(lián)連接組合的兩端；以及所述開關(guān)裝置可操作地在AC電源的每個周期的第一部分期間閉合通過AC電源和線圈裝置的電路，在此期間，來自AC電源的第一周期部分電流在一個方向上流過線圈裝置，以及所述開關(guān)裝置也可操作地在AC電源的每個周期的剩余部分期間，多次首先開路然后閉合所述電路，以便在線圈裝置中產(chǎn)生相等數(shù)量的多個電流衰減振蕩脈沖。
17.一種用于電磁處理液體流的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括線圈裝置，該線圈裝置圍繞所述流并具有電感和電容；提供AC電壓源的裝置，所述AC電壓源具有包括一個極性的第一半周期和與第一半周期極性相反的第二半周期的周期；與AC電壓源和線圈裝置串聯(lián)連接的第一開關(guān)；控制第一開關(guān)的裝置，以便在AC電壓源的每個第一半周期的至少一部分期間，傳導(dǎo)來自AC電壓源的電流在一個方向上通過第一開關(guān)和線圈裝置，以及在AC電壓源的每個第二半周期期間，不傳導(dǎo)電流在與所述一個方向相反的方向上通過第一開關(guān)；以及在AC電壓源的每個第二半周期期間至少可操作一次的裝置，用于將電能源與所述線圈裝置連接以便向線圈裝置添加電能，然后使所述電能源與所述線圈裝置斷開，以便在所述線圈裝置中產(chǎn)生衰減振蕩電流脈沖。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述第一開關(guān)是可控硅整流器(SCR)，與線圈裝置和AC電壓源形成第一電氣回路。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中電控第二開關(guān)與線圈裝置和AC電壓源串聯(lián)連接，以便形成第二電氣環(huán)路；以及還包括用于控制第二開關(guān)的裝置，以便在AC電壓源的每個第二半周期期間至少一次首先閉合所述第二開關(guān)以便將AC電壓源與所述線圈裝置連接，以便向線圈裝置添加電能，并且然后斷開所述第二開關(guān)以便在所述線圈裝置中產(chǎn)生衰減振蕩電流脈沖。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述第二開關(guān)與SCR電氣并聯(lián)連接。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，還包括至少部分控制所述第一和第二開關(guān)的操作的微控制器。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，還包括用于當SCR被正向偏置時，在第一半周期的至少一部分期間將觸發(fā)信號發(fā)送到SCR的柵極，以及在SCR變?yōu)閷?dǎo)通后隨即從柵極去除觸發(fā)信號的裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中，用于發(fā)送觸發(fā)信號的裝置包括當被啟動時將觸發(fā)信號傳遞到SCR的柵極，以及當被失效時從SCR的柵極去除觸發(fā)信號的三端雙向可控硅開關(guān)元件。
24.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中，所述電控開關(guān)是MOSFET。
25.根據(jù)權(quán)利要求17的系統(tǒng)，還包括用于調(diào)節(jié)衰減振蕩電流脈沖的電壓的裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其中，所述調(diào)節(jié)裝置包括用于將衰減振蕩電流脈沖的電壓調(diào)節(jié)為位于預(yù)定最小值和預(yù)定最大值之間的裝置。
27.根據(jù)權(quán)利要求18的系統(tǒng)，還包括用于監(jiān)視SCR的溫度，以及當SCR的溫度超過預(yù)定最大值時，隨即停止傳導(dǎo)電流通過SCR的裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種產(chǎn)生用于處理流動液體的衰減振蕩磁脈沖的方法和系統(tǒng)，包括線圈和與線圈串聯(lián)連接的SCR以形成第一回路。電子開關(guān)與線圈串聯(lián)連接以形成第二回路。將具有第一和第二半周期的AC電壓信號施加給線圈。當SCR被正向偏置時，在第一半周期期間傳導(dǎo)電流通過第一回路，同時阻止電流傳導(dǎo)通過第二回路。在第二半周期的一部分期間傳導(dǎo)電流通過第二回路，同時阻止電流傳導(dǎo)通過第一回路。當線圈電流達到預(yù)定值時，在第二半周期的另一部分期間，中斷電流通過第二回路以便中斷電流流過線圈，從而產(chǎn)生衰減振蕩磁脈沖。
文檔編號C02F1/48GK101065329SQ200580040712
公開日2007年10月31日 申請日期2005年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月10日
發(fā)明者肯尼思·沃特米爾, 沃爾特·克魯森 申請人:純凈水系統(tǒng)公司