CN104569453A

CN104569453A - 一种用于cod检测的气动加药计量装置及方法

Info

Publication number: CN104569453A
Application number: CN201410744329.9A
Authority: CN
Inventors: 张荣标; 李文胜; 顾世豪; 陈金龙
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2034-12-09
Also published as: CN104569453B

Abstract

本发明公开一种用于COD检测的气动加药计量装置及方法，排气管、进气管、气压导出管的下端伸入药剂瓶内但不接触到药剂；排气管上端与双调节阀门密封连接，进气管上端与气压泵密封连接，气压导出管上端与气压检测模块密封连接，加药管为L型且下端垂直伸入药剂中直至药剂瓶的底部，加药管上段上装有加药阀；双调节阀门、气压泵、气压检测模块和加药阀分别通过不同的控制线连接ARM控制器；通过神经网络算法及时间积分方法得到加药时间与总流量的函数关系，只通过控制加药时间就可以实现较准确的加药剂量，将加药计量的控制转化为在一个固定气压基础上的时间控制，将恒压控制在加药过程中的动态控制转化成在加药前额定气压的静态控制。

Description

一种用于COD检测的气动加药计量装置及方法

技术领域

本发明涉及COD（化学需氧量）检测领域，化学需氧量是以化学方法测量废水、废水处理厂出水和受污染的水样中需要被氧化的还原性物质的量，特别是涉及了一种用于COD检测的气动加药计量装置及方法。

背景技术

在现有的COD自动检测装置中大部分使用蠕动泵进行加药计量，通过控制蠕动泵内滚轮来挤压导流管以精确注进一定体积的液体，虽然这种方法可保证流过的液体在导流管不损坏的情况下不会污染泵体，但是导流管在长时间的挤压作用下会使导流管出现磨损、形变等情况，存在一定的安全隐患。为此，出现一种注射式加药泵，这种注射式加药泵采用光电计量管进行加药计量，可以很准确地对不同药剂进行加药计量，但是其结构比较复杂，而且光电计量管管壁洁净度对计量结果有一定的影响，需要定期地清洗、更换，设备维护成本很高。

气动加药技术已比较成熟，多采用恒压控制，在进行加药前、加药中、加药后气体压强都控制在一个恒定的气压值。由于气体是一种弹性、可压缩介质，且气体压强受多种因素的影响，如开始加药时气体压强会随着药剂的流动而瞬间变动，现在的恒压控制多采用PID控制，不能实现很好的预调节，所以恒压控制具有一定的滞后性，且恒压控制过程会使气体压强产生一定的波动，气体压强波动是一种非线性波动，所以恒压控制属于非线性动态控制过程，控制比较复杂，实际应用时要真正地实现恒压控制具有一定难度。而且，COD检测过程中加药量比较少，只需要1~2ml，属于微量加药计量过程，而且加药时间较短，动态控制难，由于恒压控制存在的滞后性、非线性动态控制等问题，会严重影响COD检测加药计量的精度，所以恒压控制并不适用于COD检测加药计量系统。

发明内容

本发明的目的是针对现有气动加药技术存在滞后性以及非线性动态控制难，不适用于COD检测计量加药的问题，提出一种用于COD检测的气动加药计量装置，该装置结构简单、计量准确、不需要定期清洗也不需要更换计量管；本发明同时还提出一种COD检测的气动加药计量方法，该气动加药计量方法将计量加药的动态控制转化为加药计量前系统稳定在一个固定气压上的静态控制，有效避免现有气动加药技术产生的滞后性问题。

本发明一种用于COD检测的气动加药计量装置采用的技术方案是：具有一个装有药剂的药剂瓶，药剂瓶上部开口用密封盖密封，密封盖上开有四个通孔分别密封连接有排气管、进气管、气压导出管和加药管，排气管、进气管、气压导出管的下端伸入药剂瓶内但不接触到药剂；排气管的上端与双调节阀门密封连接，进气管上端与气压泵密封连接，气压导出管上端与气压检测模块密封连接，加药管为L型且下端垂直伸入药剂中直至药剂瓶的底部，加药管上段是水平段与药剂的液面相平行，加药管上段上装有加药阀；双调节阀门、气压泵、气压检测模块和加药阀分别通过不同的控制线连接ARM控制器。

本发明一种用于COD检测的气动加药计量装置的气动加药计量方法采用的技术方案是包括以下步骤：

1）在加药前，ARM控制器控制开启气压泵，并调节双调节阀门控制药剂瓶内的气压值固定在额定气压值，开启加药阀加药，加药过程中，ARM控制器通过内部定时器控制气压检测模块5定时采集药剂瓶内的气压值，得到一组气压，同时记录每次采集对应的气压采样时间和相对液面高度，得到一组相对液面高度，当药剂瓶的内外气压达到平衡时，ARM控制器42控制关闭加药阀，同时关闭气压泵；

2）多次重复步骤1）得到n组气压和对应的加药采样时间的数据以及n组相对液面高度和对应的加药采样时间的数据，n≥10；

3）先将前n -3次采集得到的气压和对应的加药采样时间的数据以及相对液面高度和对应的加药采样时间的数据分别作为神经网络模型的输入量，将药剂瓶内气压P与加药时间、相对液面高度与加药时间分别作为输出量，通过神经网络拟合分别得到气压P与加药时间的关系式以及相对液面高度与加药时间的关系式；再用最后3次的数据分别对、进行校准；

4）由式、得出待加药量与加药时间的关系式，保存在ARM控制器中；

5）加药时，由ARM控制器控制开启气压泵，再通过调节双调节阀门控制药剂瓶内的气压值在额定气压值，ARM控制器根据待加药量以及关系式计算出加药时间；是加药管的管径，G是加药管出口处药剂的流速与P、之间的函数关系，

6）ARM控制器控制开启加药阀开始加药，当达到所计算出的加药时间时，控制关闭加药阀和气压泵，结束加药。

本发明的有益效果为：

1、本发明提出的一种用于COD检测的气动加药计量方法，该气动加药计量方法属于一种微量型加药计量，通过运用神经网络建立控制模型，通过神经网络算法以及时间积分的方法得到加药时间与总流量的函数关系，进而实现只通过控制加药时间就可以实现较准确的加药剂量，将加药计量的控制转化为在一个固定气压基础上的时间控制。

2、本发明气动加药计量方法只需要在加药前确保药剂瓶内压强控制在额定气压值，加药中不需要再控制药剂瓶内气压值，这样可以有效避免恒压控制对装置产生的滞后性问题，同时有效避开加药过程中的非线性动态控制过程，将恒压控制在加药过程中的动态控制转化成装置在加药前额定气压的静态控制。有效避开恒压控制的难点，降低了加药计量装置控制的复杂度。

3、本发明气动加药计量装置具有一个粗调细调功能的双调节阀门，能够实现更快速、更准确、更稳定的气压调节，可以有效确保加药前药剂瓶内气压处于一个较准确的气压值。

附图说明

图1是本发明一种用于COD检测的气动加药计量装置的结构示意图；

图2是图1中双调节阀门放大的立体图；

图3是图2中双调节阀门的内部结构及工作原理示意图；

图4是图1中药剂瓶内的气压衰减曲线示意图。

图5是图1所示装置的气动加药计量方法流程图；

附图中各部件的序号和名称：1：气压泵；2：双调节阀门；3：进气管；4：排气管；5：气压检测模块；6：气压导出管；7：加药管；8：密封盖；9：药剂瓶；10：药剂；11：粗排气口；12：粗套管；13：粗密封管；14：粗排气管；16、23：压盖；17、24：步进电机；18、25：阀杆；19：进气管；20：进气管密封管；21：进气管套管；22：进气口；26：阀体；27：细排气管；28：细密封管；29：细套管；30：细排气口；31、36：螺纹；32、35：压紧填料；33、34：阀芯；37：双调节阀门控制总线；38：气压泵控制总线；39：气压检测模块控制总线；40：加药阀控制总线；41：加药阀；42：ARM控制器；43：液位计量器。

具体实施方式

参见图1，本发明一种用于COD检测的气动加药计量装置具有一个药剂瓶9，药剂瓶9的上部开口用密封盖8进行密封，药剂瓶9内装有药剂10。密封盖8上开有四个通孔，这四个通孔分别用于密封连接排气管4、进气管3、气压导出管6和加药管7。排气管4、进气管3、气压导出管6的下端伸入药剂瓶9内但位于药剂10的上方不接触到药剂10，而加药管7下端伸入药剂10中直至药剂瓶9的底部。排气管4的上端与双调节阀门2密封连接，进气管3上端与气压泵1密封连接，气压导出管6上端与气压检测模块5密封连接，加药管7上端与COD检测仪消解单元密封连接，向COD检测系统进行自动加药。双调节阀门2、气压泵1、气压检测模块5、COD检测仪消解单元均在药剂瓶9的外部。

加药管7为L型，其下段是垂直段，伸入药剂瓶9内的药剂10中，其上段是水平段，与药剂10的液面相平行，在加药管7上段上安装加药阀41。加药管7的管径是（单位mm），针对COD检测过程中加药计量的微量性，采用2mm聚四氟乙烯管作为加药管7，加药管7上段水平段相对于药剂瓶9内的药剂10的相对液面垂直高度为（单位mm），相对液面垂直高度控制在200mm以内。

在药剂瓶9的内壁上固定一个垂直于瓶底的液位计量器43，以计量药剂10的相对液面垂直高度为。

双调节阀门2、气压泵1、气压检测模块5和加药阀41分别通过不同的控制线连接ARM控制器42。双调节阀门2通过双调节阀门控制总线37连接ARM控制器42，气压泵1通过气压泵控制总线38连接ARM控制器42，气压检测模块5通过气压检测模块控制总线39连接ARM控制器42，加药阀41通过加药阀控制总线40连接ARM控制器42。

参见图2和图3，双调节阀门2主要包括一个进气口、一个阀体和两个排气口。一个进气口22和两个排气口分别位于阀体的两侧，两个排气口位于阀体同侧，一个进气口和两个排气口均相互平行。其中，一个进气口22依次通过进气管套管21、进气密封管22与进气管19密封连接。进气管19连接阀体26的一端，使进气口22与阀体26内部的进气气道相通。第一个排气口是粗排气口11，粗排气口11依次通过粗套管12、粗密封管13与粗排气管14密封连接，粗排气管14连接阀体26的另一端，使粗排气口11与阀体26内部的粗排气道相通。第二个排气口是细排气口30，细排气口30依次通过细套管29、细密封管28与细排气管27密封连接，细排气管27连接阀体26的另一端，使细排气管27与阀体26内部的细排气道相通。进气气道、粗排气道、细排气道三者相互平行，在阀体26内呈Y形。

在阀体26的内部，在与进气口22相通的进气气道和与粗排气管14相通的粗排气道之间安装阀芯33，在与进气口22相通的进气气道和与细排气管27相通的的细排气道之间安装阀芯34。阀芯33通过伸出阀体26外部的阀杆18连接步进电机17，阀体26和阀杆18之间采用阀杆18上带有的螺纹31连接，并通过压紧填料32和压盖16与阀体26密封连接。同样，阀芯34通过伸出阀体26外部的阀杆25连接步进电机24，阀体26和阀杆25之间采用阀杆25上带有的螺纹36连接，并通过压紧填料35和压盖23与阀体26密封连接。两个步进电机17、24分别通过与其连接的阀杆18、25带动对应的阀芯33、34上下运动，分别控制两个排气口11、30的开度，从而控制排气量的多少。两个步进电机17、24分别通过双调节阀门控制总线37连接ARM控制器42， ARM控制器42通过双调节阀门控制总线37控制步进电机17调节粗排气口11的开度，能够快速地将药剂瓶9内气压值控制在额定气压值P_额±2%范围，再控制步进电机24调节细排气口30的开度，能够准确地将使药剂瓶9内气压值控制在额定气压值P_额±0.1%范围。

进气口22与排气管4连接，粗排气口11的管径大小是细排气口30的管径大小的两倍，使得细排气口30的排气控制精度要比粗排气口11的排气控制精度高的多。

本发明用于COD检测的气动加药计量装置在气动加药计量前，要先确定待加药量与加药时间的关系，将待加药量与加药时间的关系式保存在ARM控制器42中。其中，是加药管7的管径，是药剂瓶9内气压值P与加药时间的关系式，是加药管7上段水平段相对于药剂瓶9内的药剂10的相对液面高度与加药时间的关系式，G是加药管7出口处药剂的流速与P、之间的函数关系。药剂瓶9内气压值P与加药时间的关系式以及相对液面高度与加药时间的关系式均是经多次实验，采集了多组气压值P与加药时间、相对液面高度与加药时间的数据，然后将这些数据采用神经网络拟合的方法得出的。具体是：

1、第一次实验数据的采集

在开始加药前，ARM控制器42首先控制开启气压泵1，并调节双调节阀门2快速准确的控制药剂瓶9内的气压值固定在预先设定好的额定气压值P_额。由气压检测模块5检测药剂瓶9内的气压值并将检测的气压值输入ARM控制器42，当气压检测模块5检测到药剂瓶9内的气压值稳定在额定气压值P_额时，ARM控制器42控制开启加药阀41开始加药，加药过程中，ARM控制器42通过内部定时器控制气压检测模块5定时采集药剂瓶9内的气压值，得到一组气压P₁，同时记录每次采集对应的气压采样时间，该气压采样时间就是加药计量时间，并通过液位计量器43读取并记录每次采集的相对液面高度，得到一组相对液面高度，随着加药的不断进行，就可以得到相对应的一组气压P₁与时间的数据和一组相对液面高度与时间的数据。当加药一段时间，药剂瓶9内的气压不再发生变化，说明药剂瓶9内的气压就与药剂瓶9外的气压达到平衡，当ARM控制器42通过气压检测模块5检测到药剂瓶9内的气压不再发生变化时， ARM控制器42控制关闭加药阀41，同时关闭气压泵1，第一次实验数据采集结束。将采集得到的药剂瓶9内的一组气压P₁和对应的加药计量时间、一组相对液面高度和对应的加药计量时间这两组数据作为神经网络模型的第一组输入量。

2、第二次实验数据的采集

与第一次实验数据采集一样，在开始加药前，ARM控制器42首先控制开启气压泵1，并调节双调节阀门2快速准确地控制药剂瓶9内的气压值固定在预先设定好的额定气压值P_额，其中额定气压值P_额要求与第一次数据采集时的额定气压值P_额一样，当气压检测模块5检测到药剂瓶9内的气压值稳定在额定气压值P_额时，ARM控制器42控制开启加药阀41开始加药，ARM控制器42通过内部定时器定时采集药剂瓶9内的气压值，得到一组气压P₂，同时记录每次采集对应的气压采样时间，并通过液位计量器43读取并记录相对液面高度，得到一组相对液面高度，随着加药的不断进行，就可以得到相对应的气压P₂与时间的数据和相对液面高度与时间这两组数据。当加药一段时间，药剂瓶9内的气压与药剂瓶9外的气压达到平衡时，ARM控制器42控制关闭加药阀41，同时关闭气压泵1，第二次实验数据采集结束。将采集得到的这两组数据作为神经网络模型的第二组输入量。

3、第三次至第n次的实验数据采集，本发明设定n≥10。

参照与第一次、第二次实验数据采集步骤，每次数据采集时额定气压值P_额必须一样。通过多次数据采集可以得到第三次数据采集得到的气压P₃和对应的加药计量时间、相对液面高度和相对应的加药采样时间这两组数据、第四次数据采集得到的气压P₄和对应的加药计量时间、相对液面高度和相对应的加药计量时间这两组数据，直至得到第n次数据采集的气压P_n和对应的加药计量时间、相对液面高度和相对应的加药计量时间这两组数据。

4、数据拟合与校准

将前n-3次采集（当n=10时，就是前7次采集）得到的气压值和对应的加药采样时间的数据作为神经网络模型的的输入量，将药剂瓶9内气压P与加药时间作为输出量，通过神经网络拟合可以得到气压值P与加药时间的关系，即气压衰减曲线，如图4所示。最后，用最后三次采集（当n=10时，就是前8至10次采集）得到的数据对得到的气压衰减曲线进行校准，确保该曲线的准确性。

采用同样的方法，将前七次采集得到的相对液面高度和相对应的加药采样时间的数据作为神经网络模型的的输入量，将相对液面高度与加药计量时间作为输出量，通过神经网络拟合可以得到相对液面高度与加药时间的关系，即。最后，用第八次到第十次最后三次采集得到的数据对得到的曲线进行校准，确保该曲线的准确性。

通过上述神经网络拟合已经得出气压P与加药时间的关系、相对液面高度与加药时间的关系，药剂10的待加药量与加药时间的关系推导如下：

根据公知的流量基本定理以及常识性的相关知识可以推导出待加药量与药剂瓶9内气压值P的关系，即，其中、、是加药管7的管径。

根据积分基本定理，取两个极短的时间段，在这两个极短的时间段内药剂瓶9内部气压、与相对液面高度、都是不变的。

所以，以此类推：

在整个加药时间内的待加药流量：

，

根据积分原理，由此可得：

，

根据上式可知，只要确定了与，就可以得出待加药量与加药时间的关系式，通过控制加药时间来准确控制待加药量，进而实现较准确的微量性气动加药控制。由于、与开始加药前药剂瓶9内的固定气压值P_额有直接的关系，只有较准确的控制固定气压值P_额才能确保P与的关系以及与的关系是恒定。

参见图5，在获得待加药量与加药时间的关系后，由ARM控制器42首先控制开启气压泵1，再通过调节双调节阀门2控制药剂瓶9内的气压值，使药剂瓶9内的气压稳定在额定气压值P_额，由气压检测模块5检测到药剂瓶9内的气压值是否稳定在额定气压值P_额，ARM控制器42根据待加药量以及关系式计算出加药时间，然后ARM控制器42控制开启加药阀41开始加药，当达到加药时间时，ARM控制器42控制关闭加药阀41，同时关闭气压泵1，结束加药。

Claims

1.一种用于COD检测的气动加药计量装置，具有一个装有药剂（10）的药剂瓶（9），药剂瓶（9）上部开口用密封盖（8）密封，其特征是：密封盖（8）上开有四个通孔分别密封连接有排气管（4）、进气管（3）、气压导出管（6）和加药管（7），排气管（4）、进气管（3）、气压导出管（6）的下端伸入药剂瓶（9）内但不接触到药剂（10）；排气管（4）的上端与双调节阀门（2）密封连接，进气管（3）上端与气压泵（1）密封连接，气压导出管（6）上端与气压检测模块（5）密封连接，加药管（7）为L型且下端垂直伸入药剂（10）中直至药剂瓶（9）的底部，加药管（7）上段是水平段与药剂（10）的液面相平行，加药管（7）上段上装有加药阀（41）；双调节阀门（2）、气压泵（1）、气压检测模块（5）和加药阀（41）分别通过不同的控制线连接ARM控制器（42）。

2. 根据权利要求1所述用于COD检测的气动加药计量装置，其特征是：双调节阀门（2）包括一个进气口（22）、一个阀体（26）和两个排气口，一个进气口（22）和两个排气口分别位于阀体的两侧，两个排气口位于阀体同侧，一个进气口（22）与阀体（26）内部的进气气道相通，第一个排气口是粗排气口（11）且与阀体（26）内部的粗排气道相通，第二个排气口是细排气口（30）且与阀体（26）内部的细排气道相通，进气气道、粗排气道、细排气道三者相互平行且在阀体（26）内呈Y形；在进气气道和粗排气道之间设有第一阀芯（33），在进气气道和细排气道之间设有第二阀芯（34），第一阀芯（33）通过伸出阀体（26）外部的第一阀杆（18）连接第一步进电机（17），第二阀芯（34）通过伸出阀体（26）外部的第二阀杆（25）连接第二步进电机（24），两个步进电机（17、24）分别通过控制总线连接ARM控制器（42）。

3.根据权利要求2所述用于COD检测的气动加药计量装置，其特征是：粗排气口（11）的管径是细排气口（30）的管径的两倍。

4.根据权利要求1所述用于COD检测的气动加药计量装置，其特征是：加药管（7）的管径是2mm，加药管（7）上段相对于药剂（10）的相对液面垂直高度为小于200mm。

5.根据权利要求1所述用于COD检测的气动加药计量装置，其特征是：在药剂瓶9的内壁上固定设置一个垂直于瓶底的液位计量器（43）。

6.一种如权利要求1所述用于COD检测的气动加药计量装置的气动加药计量方法，其特征是包括以下步骤：

1）加药前，ARM控制器（42）控制开启气压泵（1），并调节双调节阀门（2）控制药剂瓶（9）内的气压值固定在额定气压值，开启加药阀（41）加药，加药过程中，ARM控制器（42）通过内部定时器控制气压检测模块（5）定时采集药剂瓶（9）内的气压值，得到一组气压，同时记录每次采集对应的气压采样时间和相对液面高度，得到一组相对液面高度，当药剂瓶（9）的内外气压平衡时，ARM控制器（42）控制关闭加药阀（41）和气压泵（1）；

3）先将前n -3次采集得到的气压和对应的加药采样时间的数据以及相对液面高度和对应的加药采样时间的数据分别作为神经网络模型的输入量，将药剂瓶（9）内气压P与加药时间、相对液面高度与加药时间分别作为输出量，通过神经网络拟合分别得到气压P与加药时间的关系式以及相对液面高度与加药时间的关系式；再用最后3次的数据分别对、进行校准；

4）由式、得出待加药量与加药时间的关系式，保存在ARM控制器（42）中，是加药管（7）的管径，G是加药管（7）出口处药剂的流速与P、之间的函数关系；

5）加药时，由ARM控制器（42）控制开启气压泵（1），再通过调节双调节阀门（2）控制药剂瓶（9）内的气压值在额定气压值，ARM控制器（42）根据待加药量以及关系式计算出加药时间；

6）ARM控制器（42）控制开启加药阀（41）开始加药，当达到所计算出的加药时间时，控制关闭加药阀（41）和气压泵（1），结束加药。

7.根据权利要求6所述的气动加药计量方法，其特征是：步骤1）和5）中，所述调节双调节阀门（2）控制药剂瓶（9）内气压值的方法是：ARM控制器（42）先控制双调节阀门（2）上的第一步进电机（17）调节粗排气口（11）的开度，使药剂瓶（9）内气压值在额定气压值P_额±2%范围，再控制双调节阀门（2）上的第二步进电机（24）调节细排气口（30）的开度，使药剂瓶（9）内气压值在额定气压值P_额±0.1%范围。