CN104049074B - 一种污泥干化过程中污泥含水量的估算方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种污泥干化过程中污泥含水量的估算方法与装置，检测装置盒内部的左端设有待测气体入口通道，待测气体入口通道连接待测气体入口电磁阀，待测气体入口电磁阀的输出通道与内部设有半导体冷却器的气体冷却装置左端连接，气体冷却装置的右端设置输出口与检测装置盒内部连通；气体冷却装置的右侧放置聚四氟乙烯微孔滤膜保护罩，聚四氟乙烯微孔滤膜保护罩内部设有MCU控制电路盒，湿度传感器的检测探头伸出MCU控制电路盒外且对准气体冷却装置的右端输出口；利用污泥的含水量与污泥在干化过程中产生的气体的湿度两者的非线性关系，结合人工神经网络技术，实现污泥干化过程中污泥含水量的在线检测。
Description
技术领域
本发明涉及污泥干化处理领域，特指污泥干化过程中污泥含水量的估算技术，目的是实现污泥含水量的在线检测。
背景技术
污泥中含有各种病菌，重金属以及持久性有机污染物，并且易腐烂，有强烈的臭味，如果未经适当处理的污泥被任意排放，将会对环境造成二次污染。目前，污泥的主要处理技术包括土地利用、填埋、焚烧等，其中污泥焚烧可节省大量土地，减少二次污染，同时还充分利用了再生能源，达到了对污泥处理的减容化、无害化、资源化的目的。然而，为了污泥可以充分燃烧，在燃烧前必须对污泥进行脱水处理。目前，机械脱水后的污泥含水率仍有80%，无法用于直接焚烧。为了满足进一步的处理和处置，必须对初步脱水后的污泥进一步作干化处理，才可用于焚烧。目前，污泥干化的方式主要分为直接加热式、间接加热式以及直接与间接联合式，无论采用哪一种方式都需要消耗大量的能源。为了尽可能地减少能源的消耗，同时提高污泥干化的干化效率，需要采取一定的手段能够将在污泥干化过程中的污泥的含水量检测出来。
目前普遍应用湿度传感器来检测污泥的含水量，由于在污泥干化处理过程，会伴随产生高温且具有污染性的气体，这些气体中的主要成分是硫化氢，氨和甲硫醇等，溶于水中都具有腐蚀性，会对检测设备造成严重的损坏，不利于长时间在线检测，因普遍应用的湿度传感器是非密封性的，当其在酸性、碱性及含有机溶剂的气氛中使用时，检测的准确度和稳定性将降低。
发明内容
为克服上述缺点，结合污泥干化自身的特点，本发明提供了一种污泥干化过程中污泥含水量的估算方法与装置，不受污泥干化气氛的影响，能够准确和稳定地在线检测污泥的含水量，有效提高污泥干化的效率，减少能源消耗。
本发明一种污泥干化过程中污泥含水量的估算装置采用的技术方案是：估算装置外部是一个方形的检测装置盒，检测装置盒内部的左端设有待测气体入口通道，待测气体入口通道连接待测气体入口电磁阀，待测气体入口电磁阀的输出通道与内部设有半导体冷却器的气体冷却装置左端连接，气体冷却装置的右端设置输出口与检测装置盒内部连通；气体冷却装置的右侧放置聚四氟乙烯微孔滤膜保护罩，聚四氟乙烯微孔滤膜保护罩内部设有MCU控制电路盒，MCU控制电路盒中放置湿度传感器、信号调理电路、MCU控制系统及通信模块，湿度传感器的检测探头伸出MCU控制电路盒外且对准气体冷却装置的右端输出口；检测装置盒上壁中心处设有排气通道，排气通道连接排气口电磁阀，排气通道内部装有微型排气扇，检测装置盒底壁正中心处设有空气入口通道，空气入口通道连接空气入口电磁阀，空气入口通道内置放由导向叶片组成的气流导向装置；MCU控制系统通过不同的控制端口分别连接排气出口电磁阀，待测气体入口电磁阀、空气入口电磁阀、气体冷却装置及微型排气扇，MCU控制系统通过通信模块连接上位机，湿度传感器经信号调理电路连接MCU控制系统的输入端。
本发明一种污泥干化过程中污泥含水量的估算方法采用的技术方案是采用以下步骤：A、MCU控制系统打开待测气体入口电磁阀、排气口电磁阀、气体冷却装置及微型排气扇，使待测气体经通过气体冷却装置冷却后充满检测装置盒内部，关闭待测气体入口电磁阀、排气口电磁阀、气体冷却装置及微型排气扇；B、待测气体中的大分子腐蚀性气体被聚四氟乙烯微孔滤膜保护罩过滤掉后由湿度传感器检测出气体湿度R并输入MCU控制系统采集，再通过通信模块传给上位机；C、上位机由训练样本数据训练BP人工神经网络，构建污泥含水量Q与污泥干化过程中产生的气体湿度R之间的函数关系，将检测出的气体湿度R作为训练好的BP人工神经网络模型的输入，污泥含水量Q作为神经网络模型的输出，估算出污泥含水量Q。
本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：
1、本发明利用污泥的含水量与污泥在干化过程中产生的气体的湿度两者的非线性关系，结合人工神经网络技术，实现污泥干化过程中污泥含水量的在线检测。
2、本发明的污泥烘干过程气体湿度检测装置利用气体冷却装置冷却高温气体，并且在湿度传感器外部放置由聚四氟乙烯微孔滤膜制成的保护罩，过滤掉气体中具有腐蚀性的大分子气体，有效保护湿度传感器。
3、本发明污泥烘干过程中气体湿度检测装置可对其内部进行换气清洗，有效地降低腐蚀性气体对其损害。
4、本发明的污泥烘干过程中气体湿度检测装置盒体内部的8个角在不影响内部器件放置的前提下分别设有防死角弧形三角椎体（其体积大小可根据空间的剩余来确定），有利于对检测装置内部进行换气清洗时对死角的残余气体的清理。
5、本发明污泥烘干过程中气体湿度检测装置利用家用抽屉的设计理念，可在污泥干燥室外部直接拆取，便于用户对检测装置内部各检测部件进行定期的检查维护和清理，有效的保证了检测的准确度，同时还能避免污泥干燥室内污染气体对人体健康的损害。
附图说明
图1为本发明污泥干化过程中污泥含水量的估算装置的内部结构图；
图2为图1所示估算装置的安装示意图；
图3为图1所示估算装置的控制结构框图；
图4为图1所示估算装置的估算方法的流程图；
图5为图4中BP人工神经网络处理方法流程图。
附图中各部件的序号和名称：1、检测装置盒，2、排气通道，3、排气口电磁阀，4、排气孔，5、基板与污泥干燥室壁安装固定孔，6、基板与检测装置盒安装固定孔，7、基板，8、防死角弧形三角椎体，9、微型排气扇，10、待测气体入口通道，11、气体入口通道法兰，12、待测气体入口电磁阀，13、气体冷却装置，14、透气孔，15、气流导向装置，16、空气入口电磁阀，17、导向叶片，18、聚四氟乙烯微孔滤膜保护罩，19、湿度传感器检测探头，20、MCU控制电路盒，21、MCU控制电路盒固定底座，22、保护罩固定螺丝，23、空气入口通道，24、基板把手，25、污泥干燥室外壁，26、基板与干燥室壁安装固定螺栓，27、基板与检测装置盒安装固定螺栓，28、空气入口通道法兰，29、排气通道法兰。
具体实施方式
参见图1，本发明外部是一个方形的检测装置盒1，检测装置盒1由耐高温、耐腐蚀性材料制成且具有一定厚度，检测装置盒1的右侧开口未封闭，右侧开口处用基板7封闭，并且与基板7固定连接。各检测部件均放置于检测装置盒1内部，在检测装置盒1内部的左端设有待测气体入口通道10，待测气体入口通道10通过检测装置盒1左壁上的开口与外部连通，待测气体入口通道10通过气体入口通道法兰11与待测气体入口电磁阀12连接，待测气体入口电磁阀12的输出通道与内部设有半导体冷却器的气体冷却装置13左端连接，气体冷却装置13的右端设置输出口与检测装置盒1内部连通，从而使冷却后的气体从气体冷却装置13输出后能够充满检测装置盒1内部。在气体冷却装置13的右侧放置聚四氟乙烯微孔滤膜保护罩18，且两者之间存在一定间隙。聚四氟乙烯微孔滤膜保护罩18由聚四氟乙烯微孔滤膜制成，聚四氟乙烯微孔滤膜保护罩18通过保护罩固定螺丝22固定在检测装置盒1的底部。在聚四氟乙烯微孔滤膜保护罩18内部设有MCU控制电路盒20，MCU控制电路盒20固定悬在MCU控制电路盒固定底座21上，可以隔绝热量传递。湿度传感器检测探头19伸出MCU控制电路盒20外，并且需要确保湿度传感器检测探头19对准气体冷却装置13的右端输出口。
检测装置盒1的壳体上壁中心处设有排气孔4，排气孔4处安装排气通道2，排气通道2通过排气通道法兰29与排气口电磁阀3连接，并在排气通道2内部安装有微型排气扇9，在需要测量气体湿度或者清洗装置时开启微型排气扇9，同时打开排气口电磁阀3将检测装置盒1内部气体经由排气孔4排出，同时充满所需的气体。在检测装置盒1的底壁正中心位置处设有透气孔14，透气孔14下方连接空气入口通道23，空气入口通道23伸出检测装置盒1之外，空气入口通道23通过空气通道法兰28与空气入口电磁阀16连接，在空气入口通道23内放置由导向叶片17组成的气流导向装置15，导向叶片17在空气入口通道23内均匀排列，并且组装的角度分别偏向左右两侧。当清洗检测装置内部时，开启空气入口电磁阀16、排气口电磁阀3与微型排气扇9，空气入口通道23内的气体经过气流导向装置15后，空气流均匀分别偏向检测装置盒1内部的左右两侧，利于快速清洗装置内部。同时，在方形的检测装置盒1内部的8个的角处安装防死角弧形三角椎体8，要求弧形三角椎体8不影响检测装置盒1内部的其它部件的放置，有利于在清洗装置内部时对死角的残余气体的清理。
参见图2，为本发明污泥烘干过程中气体湿度检测装置安装示意图。考虑到本发明的气体湿度检测装置是在污泥干化过程中使用，各检测部件容易受到气体的污染和侵蚀，特别是湿度传感器的检测精度会受到比较严重的影响。所以，为了确保检测的顺利进行和准确度，需要对各检测部件进行定期的检查维护和清理。考虑污泥干燥室的污染严重，为减少对用户的健康损害，为方便用户直接在外部就可拆取检测装置，因而，本发明的检测装置利用家用抽屉的设计理念，将检测装置盒1与基板7通过4个基板与检测装置盒安装固定螺栓27固定后，将整个检测装置插入污泥干燥室中，基板7留在污泥干燥室外，通过4个基板与干燥室壁安装固定螺栓26固定在污泥干燥室外壁25上。为方便用户抽取检测装置，另在基板7上安装基板把手24。此外，排气通道2的通道设计高度不超过基板的上边缘，空气入口通道23穿过基板7与外界空气接触，利于检测装置的整体抽取。当需要对内部检测设备进行清洗和维护时，先拆卸4个基板与干燥室壁安装固定螺栓26后抽出整个检测装置，其次拆卸4个基板与检测装置盒安装固定螺栓27，最后从检测装置盒1的右侧未封闭侧将其内部的各部件取出。
参见图3，MCU控制电路盒20中放置的是由湿度传感器、信号调理电路、MCU控制系统及通信模块等相关电路构成的集成电路板。本发明以MCU控制系统为核心，MCU控制系统通过不同的控制端口分别连接排气出口电磁阀3，待测气体入口电磁阀12、空气入口电磁阀16、气体冷却装置13以及微型排气扇9，MCU控制系统通过通信模块连接上位机，湿度传感器经信号调理电路连接MCU控制系统的输入端，电源供电系统为各所需部件提供电源。
参见图4，本发明污泥烘干过程中污泥含水量估算装置工作时，首先MCU控制系统打开待测气体入口电磁阀12、排气口电磁阀3、气体冷却装置13以及微型排气扇9持续约30秒，使待测气体经通过气体冷却装置13冷却后充满检测装置盒1内部，关闭待测气体入口电磁阀12、排气口电磁阀3、气体冷却装置13以及微型排气扇9。待测气体中的大分子腐蚀性气体被聚四氟乙烯微孔滤膜保护罩18过滤掉后由湿度传感器检测气体的湿度，并经过信号调理电路处理转换为相应的数字信号后供MCU控制系统采集，MCU控制系统将采集到的气体湿度R经过通信模块传给上位机，通过上位机软件利用BP人工神经网络算法处理，便可得到污泥的含水量Q。
根据工程热力学可知，当污泥的含水量越多时，则污泥在干化过程中产生的气体的湿度相对地会越大，即污泥的含水量Q与污泥在干化过程中产生的气体的湿度R存在单调非线性的函数关系。本发明利用这两者之间的关系，通过检测污泥干化过程中产生的气体的湿度R，从而推导出污泥含水量Q。由于在污泥干化过程中产生的气体具有高温，腐蚀性的特点，不利于湿度传感器的直接测量，所以，本发明利用气体冷却装置13冷却高温的待测气体，经过聚四氟乙烯微孔滤膜保护罩18，将具有腐蚀性的大分子气体过滤掉，达到保护湿度传感器的效果。
参见图5、上位机软件利用BP人工神经网络处理时，利用污泥自身的含水量Q与污泥在干化过程中产生的气体湿度R存在单调非线性的函数关系，采用BP神经网络算法进行数据处理。将检测装置检测出的气体湿度R作为神经网络模型的输入，污泥的含水量Q作为神经网络模型的输出，可构建函数。要拟合出两者之间的函数关系，必须获取足够的样本数据。由于干化的污泥湿度范围为60%~90%，因此，本发明针对不同的湿度的污泥，采用在不同的干化时间t，取出部分样品，利用污泥含水率测定仪测出该时刻的污泥的含水量，并利用本发明的检测装置测出该时刻t的气体湿度，通过上述实验方法来获取足够的样本数据。然后，选取部分实验数据作为泛化样本数据，其他的数据作为训练样本数据，并设置误差目标值及学习因子用于网络训练，得到训练后的权值和阈值。根据得到的参数，判断泛化的结果是否达到系统的误差要求，若是达到系统误差要求，则保存好相应的BP人工神经网络模型，若是没有达到系统误差要求，则修改学习因子后再次训练网络，直到符合系统误差的要求为止。通过训练好的BP人工神经网络模型，将检测装置检测出的气体湿度R作为神经网络模型的输入，污泥的含水量Q作为神经网络模型的输出，根据检测出的气体湿度R便能在线估算出比较精确的污泥含水量Q。
当检测完成后，为了减少腐蚀性气体对检测装置内的各部件尤其是对湿度传感器的损坏，提高再次测量的精确度，需要对检测装置盒1内部进行换气清洗。此时，MCU控制系统开启排气口电磁阀3、微型排气扇9以及空气入口电磁阀16。外部空气通过空气入口通道23进入，经过气流导向装置15和透气孔14使气流均匀地向检测装置盒1内部扩散，并且检测装置盒1内部的腐蚀性气体经排气通道2排出，此过程持续约1分钟后，MCU控制系统关闭排气口电磁阀3、微型排气扇9以及空气入口电磁阀16，结束换气清洗过程。
Claims (3)
1.一种污泥干化过程中污泥含水量的估算方法，采用污泥干化过程中污泥含水量的估算装置，该估算装置外部是一个方形的检测装置盒（1），检测装置盒（1）内部的左端设有待测气体入口通道（10），待测气体入口通道（10）连接待测气体入口电磁阀（12），待测气体入口电磁阀（12）的输出通道与内部设有半导体冷却器的气体冷却装置（13）左端连接，气体冷却装置（13）的右端设置输出口与检测装置盒（1）内部连通；气体冷却装置（13）的右侧放置聚四氟乙烯微孔滤膜保护罩（18），聚四氟乙烯微孔滤膜保护罩（18）内部设有MCU控制电路盒（20），MCU控制电路盒（20）中放置湿度传感器、信号调理电路、MCU控制系统及通信模块，湿度传感器的检测探头伸出MCU控制电路盒（20）外且对准气体冷却装置（13）的右端输出口；检测装置盒（1）上壁中心处设有排气通道（2），排气通道（2）连接排气口电磁阀（3），排气通道（2）内部装有微型排气扇（9），检测装置盒（1）的底壁正中心位置处设有透气孔（14），透气孔（14）下方连接空气入口通道（23），空气入口通道（23）伸出检测装置盒（1）之外且空气入口通道（23）连接空气入口电磁阀（16），空气入口通道（23）内置放由导向叶片（17）组成的气流导向装置（15）；MCU控制系统通过不同的控制端口分别连接排气口电磁阀（3），待测气体入口电磁阀（12）、空气入口电磁阀（16）、气体冷却装置（13）及微型排气扇（9），MCU控制系统通过通信模块连接上位机，湿度传感器经信号调理电路连接MCU控制系统的输入端，其特征是采用以下步骤：
A、MCU控制系统打开待测气体入口电磁阀（12）、排气口电磁阀（3）、气体冷却装置（13）及微型排气扇（9），使待测气体经通过气体冷却装置（13）冷却后充满检测装置盒（1）内部，关闭待测气体入口电磁阀（12）、排气口电磁阀（3）、气体冷却装置（13）及微型排气扇（9）；
B、待测气体中的大分子腐蚀性气体被聚四氟乙烯微孔滤膜保护罩（18）过滤掉后由湿度传感器检测出气体湿度R并输入MCU控制系统采集，再通过通信模块传给上位机；
C、上位机由训练样本数据训练BP人工神经网络，构建污泥含水量Q与污泥干化过程中产生的气体湿度R之间的函数关系，将检测出的气体湿度R作为训练好的BP人工神经网络模型的输入，污泥含水量Q作为神经网络模型的输出，估算出污泥含水量Q。
2.根据权利要求1所述估算方法，其特征是：步骤C）中，针对不同湿度的污泥，在不同的干化时间取出部分样品，利用污泥含水率测定仪测出该时刻的污泥含水量，并测出该时刻的气体湿度，获取足够的样本数据，选取泛化样本数据和训练样本数据，设置误差目标值及学习因子用于训练BP人工神经网络，获得训练好的BP人工神经网络模型。
3.根据权利要求1所述估算方法，其特征是：步骤C）在估算出污泥含水量Q之后，MCU控制系统开启排气口电磁阀（3）、微型排气扇（9）及空气入口电磁阀（16），外部空气通过空气入口通道（23）进入，经过气流导向装置（15）和透气孔（14）使气流均匀地向检测装置盒（1）内部扩散，检测装置盒（1）内部的腐蚀性气体经排气通道（2）排出，MCU控制系统关闭排气口电磁阀（3）、微型排气扇（9）及空气入口电磁阀（16）完成检测装置盒（1）内部的换气清洗。
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