CN104729967A - 一种基于超声波的污泥浓度监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波的污泥浓度监控系统，包含污泥浓度检测装置和与其连接的监控中心；所述污泥浓度检测装置包含依次连接的超声波传感器、功率放大电路、超声波换能器、模数转换单元、微控制器模块，以及与微控制器模块连接的数据存储单元、显示单元、报警单元和通讯单元；所述超声波传感器包含超声波发射电路和超声波接收电路，所述微控制器模块包含计算单元、参数对比单元、控制单元，所述超声波发射电路包含依次连接的振荡器、恒流发射电路和超声波发射探头，所述超声波接收电路包含依次连接的超声波接收头、放大电路和整形电路,其能够精确地对污泥浓度进行监控。

Description

一种基于超声波的污泥浓度监控系统

技术领域

本发明涉及一种自动检测系统，尤其涉及一种基于超声波的污泥浓度监控系统，属于自动检测领域。

背景技术

悬浮液浓度是给水厂、污水厂等运行中的一个重要工艺控制参数。传统的人工取样化学烘干分析方法，效率低、测量周期长，难以在工艺控制中发挥作用。为此，人们开发了以光学法、射线法、振动法、超声波法为基础的污泥浓度测量仪器，特别是超声波衰减法污泥浓度测量仪在污水处理领域应用较多。由于实际应用中环境条件变化大，被测污泥温度变化范围较宽等原因，现有的污泥浓度测量仪器很难取得满意的测量精度。便携式超声波污泥计可以通过测量前进行标定来提高测量精度，而实时在线监测用超声波污泥浓度计则很难频繁进行人工标定，因此测量误差较大，难以发挥作用。

在化工、医药、粮油、煤矿综采等生产部门中, 存在大量呈溶液状态的原料、中间产物及最后产品。许多化工生产还是采用间隙取样、化学滴定的方法作浓度分析, 这种方法需要人工取样和目测读数，因此需用很长时间才能得出结果，而且检测出的液体浓度精度低。超声波无污染、无噪声, 对环境不会造成任何不良影响，在不同浓度的液体中传播的声速不同，因此可以利用超声波实现对液体浓度的在线检测。但是一个关键因素是温度对声速有较大的影响, 其将直接影响液体浓度的测量精度。为了克服温度对测量精度的影响，目前多采用对不同温度下的数据进行直接对比的方法来降低测量误差，然而，这种方法不仅数据存贮量大，计算过程复杂, 而且不能建立声速与温度的对应关系, 对外界干扰常常误测而不能进行排除。

例如申请号为“201280049417.6”的超声波流量及浓度共用测量系统，包括：发送用超声波传感器，附着于测量对象流体流过的管道的外壁并透过壁面发送超声波；浓度测量用超声波传感器，透过测量对象流体管道接收上述发送用超声波传感器发送的超声波；流量测量用超声波传感器，按一定时间间隔接收上述发送用超声波传感器发送的超声波；整合信号处理装置，根据上述浓度测量用超声波传感器和流量测量用超声波传感器接收的超声波强度测量浮游固体物的浓度/总量，并利用媒介中传递时间差测量流量。因此，该发明利用可同时测量处理水的流量、处理水中的浮游固体物的浓度及总量的传感器及传感器设置结构开发整合浓度计及流量计功能的装置，从而实现作为水处理工艺产物的污泥的定量管理，而且，通过根据SS总量的后续工艺控制及选择最佳负荷极大地提高水处理工艺的效率性，可通过一名管理员即可控制工艺，节省人力费用，从现有技术的被动工艺控制转换为主动工艺控制。

又如申请号为“201310149165.0”一种通用型超声波液体浓度检测方法及装置，其利用超声波在不同的介质中传播的声速不同，根据已知的声程对被测液体中声时进行测量，并且采用实时温度值对测量值进行修正，从而得出不同溶剂中含有的不同溶质的百分比。该发明针对不同溶剂及溶质在不同的温度点进行超声波传播速度的采样，根据采样结果求解出超声波在该溶液中声速与温度及浓度的对应关系式，从而实现了对液体浓度测量通用性。同时本发明还能通过在实验室环境中对大气中声速的测量和纯净水中声速的测量来实现对系统硬件误差及声程误差的校正，提高测量精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于超声波的污泥浓度监控系统，其能够精确测量污泥浓度进而及时对其进行处理。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

    一种基于超声波的污泥浓度监控系统，包含污泥浓度检测装置和与其连接的监控中心；所述污泥浓度检测装置包含依次连接的超声波传感器、功率放大电路、超声波换能器、模数转换单元、微控制器模块，以及与微控制器模块连接的数据存储单元、显示单元、报警单元和通讯单元；所述超声波传感器包含超声波发射电路和超声波接收电路，所述微控制器模块包含计算单元、参数对比单元、控制单元，所述超声波发射电路包含依次连接的振荡器、恒流发射电路和超声波发射探头，所述超声波接收电路包含依次连接的超声波接收头、放大电路和整形电路；

超声波发射电路，用于产生超声波脉冲串；

功率放大电路，用于对超声波脉冲串进行滤波和放大；

超声波换能器，用于将放大后的超声波脉冲串转换成电信号；

超声波接收电路，用于对超声波换能器产生的电信号进行对数放大；

模数转换单元，用于将对放大后的模拟电信号转化成数字电信号；

计算单元，用于根据收到的数字电信号，采用ax=(lnE0-lnEx)/L计算出悬浊粒子衰减率，经过标定浓度与电压衰减曲线进而得出污泥浓度；其中，ax为悬浮粒子衰减率，E0为初始接收电压，Ex为接收电压，L为超声波发射电路和超声波接收电路之间的距离；

参数对比单元，用于将计算单元计算出的污泥浓度与设定值进行对比，若污泥浓度超过设定值，则发送信号至控制单元；

    控制单元，用于根据接收到的参数对比单元发送的信号控制报警单元发出警报，同时将污泥浓度通过通讯单元发送至监控中心；

显示单元，用于实时显示微控制器模块计算出的污泥浓度；

数据存储单元，用于实时存储计算单元计算出的污泥浓度。

    作为本发明一种基于超声波的污泥浓度监控系统的进一步优选方案，所述超声波发射电路采用DDS。

    作为本发明一种基于超声波的污泥浓度监控系统的进一步优选方案，所述超声波接收电路采用对数放大器。

作为本发明一种基于超声波的污泥浓度监控系统的进一步优选方案，所述微控制器模块采用AVR系列单片机。

作为本发明一种基于超声波的污泥浓度监控系统的进一步优选方案，所述显示单元为LCD显示屏。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明具有较强的抗干扰性能，能够准确的获取相关检测数据，并通过微处理器进行分析和运算得出悬浮液粒子浓度；其采用超声波监测方法，其具有较强的抗干扰性能，能够准确的获取相关监测数据，并通过微处理器进行分析和运算得出污泥浓度，该污泥浓度经过3G 通信模块将微处理器的测试结果及时有效地传输至监测中心进行分析及作出相应的决策，全面连续地对污泥浓度的动态变化进行实时监测；

2、本发明将直接数字合成频率技术引入超声波发射电路，大大提高了测量稳定性和测量精度。其采用直接数字合成技术的发射电路，直接数字合成技术DDS 是用数字控制的方法从一个频率参考源产生多种频率，由于用做频率参考源的石英晶体振荡器具有极高的温度稳定性，且数字合成电路精度很高，所以由此得到的正弦波频率非常稳定，极大地提高了发射频率的稳定性，解决了频率漂移的问题。将直接数字合成频率技术引入超声波发射电路，大大提高了仪表的测量稳定性和测量精度。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种基于超声波的污泥浓度监控系统，包含污泥浓度检测装置和与其连接的监控中心；所述污泥浓度检测装置包含依次连接的超声波传感器、功率放大电路、超声波换能器、模数转换单元、微控制器模块，以及与微控制器模块连接的数据存储单元、显示单元、报警单元和通讯单元；所述超声波传感器包含超声波发射电路和超声波接收电路，所述微控制器模块包含计算单元、参数对比单元、控制单元，所述超声波发射电路包含依次连接的振荡器、恒流发射电路和超声波发射探头，所述超声波接收电路包含依次连接的超声波接收头、放大电路和整形电路；

超声波发射电路，用于产生超声波脉冲串；

功率放大电路，用于对超声波脉冲串进行滤波和放大；

超声波换能器，用于将放大后的超声波脉冲串转换成电信号；

超声波接收电路，用于对超声波换能器产生的电信号进行对数放大；

模数转换单元，用于将对放大后的模拟电信号转化成数字电信号；

计算单元，用于根据收到的数字电信号，采用ax=(lnE0-lnEx)/L计算出悬浊粒子衰减率，经过标定浓度与电压衰减曲线进而得出污泥浓度；其中，ax为悬浮粒子衰减率，E0为初始接收电压，Ex为接收电压，L为超声波发射电路和超声波接收电路之间的距离；

参数对比单元，用于将计算单元计算出的污泥浓度与设定值进行对比，若污泥浓度超过设定值，则发送信号至控制单元；

控制单元，用于根据接收到的参数对比单元发送的信号控制报警单元发出警报，同时将污泥浓度通过通讯单元发送至监控中心；

显示单元，用于实时显示微控制器模块计算出的污泥浓度；

数据存储单元，用于实时存储计算单元计算出的污泥浓度。

其中，所述超声波发射电路采用DDS，所述超声波接收电路采用对数放大器，所述微控制器模块采用AVR系列单片机，所述显示单元为LCD显示屏。

直接数字频率合成器(DDS)以“相位”的概念进行频率合成，不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位，还可以产生三角波和方波。本系统采用DDS AD9833作为超声波发射单元的脉冲生成器。AD9833是可编程的，通过高速串口外围接口(SPI)，只需要一个外部时钟去产生简单正弦波就可工作。AD9833可以在基于25 MHz的时钟下产生0 Hz～12．5 MHz的波形。

超声波发射电路的脉冲生成电路。DDS的时钟来源于25 MHz有源晶振。AD9833的SPI总线CLK、DATA、CS与微处理器的I／O口通过一片74HC244相连接。74HC244是八同相三态缓冲器，用于增强信号带负载能力。通过微处理的控制，AD9833在VOUT引脚输出需要频率的方波。AD9833的输出与微控制器的选通信号EN在与非门的作用下，在与非门的输出端产生脉冲串，这个脉冲串经过功率放大电路就可以对超声波换能器进行驱动。

超声回波接收电路的对数放大器：在信号处理领域中，一些信号往往具有很宽的动态范围。比如在雷达、声纳等系统中，需要处理的信号动态范围可达120 dB以上；超声波回波接收器前端的电压也可以从“μV”级到“V”级。宽动态范围往往给应用设计带来很多问题。

在实际应用中，一般会对所要处理的信号进行非线性压缩。应用最多的就是对数放大器。它使输出信号和输入信号的包络成对数比例。它对信号动态范围的压缩不需要像AGC系统那样提取输入信号的电平来控制增益，其增益与信号的大小成反比，在通信、雷达、超声、电子对抗中有着广泛的应用。

该方案采用单端输入，有对数零点和斜率调节电路，将对数零点设在-84dBm，斜率定为大约20mV/dB。对数放大器后加一级缓冲(AD8031)，主要作用有二：一是使接收模块最终输出是低阻抗的，提高抗干扰能力；二是通过这一级的电压增益将对数斜率恢复到25mV/dB 。设计的对数放大器信号输入范围定为－72dBm(在50Ω源阻抗时，－72dBm相当于振幅为±80μV的正弦波)到+10dBm(振幅为±1V的正弦波)，相应的对数输出电压为0.3～2.35V，对数动态范围82dB。该电路做成模块形式，封装在屏蔽罩中。所有引线(地线和输出信号线除外)均通过穿心电容引出，穿心电容的外极接地，以提高屏蔽效果。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于超声波的污泥浓度监控系统，其特征在于：包含污泥浓度检测装置和与其连接的监控中心；所述污泥浓度检测装置包含依次连接的超声波传感器、功率放大电路、超声波换能器、模数转换单元、微控制器模块，以及与微控制器模块连接的数据存储单元、显示单元、报警单元和通讯单元；所述超声波传感器包含超声波发射电路和超声波接收电路，所述微控制器模块包含计算单元、参数对比单元、控制单元，所述超声波发射电路包含依次连接的振荡器、恒流发射电路和超声波发射探头，所述超声波接收电路包含依次连接的超声波接收头、放大电路和整形电路；

超声波发射电路，用于产生超声波脉冲串；

功率放大电路，用于对超声波脉冲串进行滤波和放大；

超声波换能器，用于将放大后的超声波脉冲串转换成电信号；

超声波接收电路，用于对超声波换能器产生的电信号进行对数放大；

模数转换单元，用于将对放大后的模拟电信号转化成数字电信号；

计算单元，用于根据收到的数字电信号，采用ax=(lnE0-lnEx)/L计算出悬浊粒子衰减率，经过标定浓度与电压衰减曲线进而得出污泥浓度；其中，ax为悬浮粒子衰减率，E0为初始接收电压，Ex为接收电压，L为超声波发射电路和超声波接收电路之间的距离；

参数对比单元，用于将计算单元计算出的污泥浓度与设定值进行对比，若污泥浓度超过设定值，则发送信号至控制单元；

    控制单元，用于根据接收到的参数对比单元发送的信号控制报警单元发出警报，同时将污泥浓度通过通讯单元发送至监控中心；

显示单元，用于实时显示微控制器模块计算出的污泥浓度；

数据存储单元，用于实时存储计算单元计算出的污泥浓度。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波的污泥浓度监控系统，其特征在于：所述超声波发射电路采用DDS。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声波的污泥浓度监控系统，其特征在于：所述超声波接收电路采用对数放大器。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声波的污泥浓度监控系统，其特征在于：所述微控制器模块采用AVR系列单片机。

5.根据权利要求1所述的一种基于超声波的污泥浓度监控系统，其特征在于：所述显示单元为LCD显示屏。