CN106731862B - 一种中空纤维膜组件完整性在线检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中空纤维膜组件完整性在线检测装置及检测方法，遮光外壳内设置激光发射系统、光学检测系统、激光接收系统和显示报警系统；激光发射系统包括第一激光发射器和第二激光发射器；光学检测系统包括第一光学检测器和第二光学检测器；激光接收系统包括第一信号接收器和第二信号接收器；显示报警系统包括报警器和显示器，报警器包括第三可变电阻和第四可变电阻，第四可变电阻并联发光二极管和蜂鸣器；显示器包括显示屏。本发明利用激光方向性好、亮度高、单色性强和高能量密度等特点，根据光学原理和电学原理，灵活运用光电转换技术，具有低廉且灵敏度高的特点。

Description

一种中空纤维膜组件完整性在线检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测装置及检测方法，更具体的说，是涉及一种中空纤维膜组件完整性在线检测装置及检测方法。

背景技术

20世纪60年代开始，美国埃克森公司第一张工业用膜的诞生，膜技术进入快速发展时期。膜技术的发展虽然不长，但因为膜技术独具优越性，目前在工业中已得到广泛的应用，例如在环保、水处理、化工、冶金、能源、医药、食品、仿生等领域。膜分离技术是指借助于外界能量推动，通过特定膜的渗透作用，实现对两组分或多组分混合的液体或气体进行分离、分级、提纯以及浓缩富集的技术。膜分离技术具有过程简单、无二次污染、分离系数大、无相变、节能、高效、造价较低、易于操作等特点，操作无需特许条件，可在常温下进行，也可直接放大。迄今为止，膜技术仍不断发展，一方面由于日益苛刻的环保法提高了饮用水的卫生标准；另一方面由于水资源的匮乏推动了脱盐技术的发展。

中空纤维膜在生活饮用水和废水处理中的应用潜力，已经得到越来越多的研究兴趣；其对病原体，如病毒、细菌和原生动物囊肿的高效清除，已经可以取代消毒步骤。中空纤维膜根据膜孔的半径大小，分为微滤和超滤两种中空纤维膜，其中，中空纤维超滤膜是超滤技术中最为成熟与先进的一种技术，也是最早开发的高分子分离膜之一。

膜组件是膜分离技术的基本单元，在诸多类型的膜组件中，中空纤维膜组件单位体积有效面积大、体积小、填密度大，广泛应用于医药、化工、食品、水处理等领域。但在中空纤维膜组件的应用中，膜破损是影响其工作效率的重要因素，也关系到膜的运行成本及更换成本等经济因素；膜组件完整性被破坏(纤维破碎，纤维降解……)，病原微生物就会穿过膜面，导致出水水质下降，严重危害人类的身体健康，后果严重。膜纤维破损主要是以下四个原因:(1)化学腐蚀和氧化；(2)错误的安装和维护；(3)操作条件中的膜拉力与张力，激烈的反洗或过度气泡冲刷；(4)未进行预处理。

自从膜分离过程诞生，人们致力于膜完整性检测方法的研究一直未停歇过。美国环境保护署将膜完整性检测方法分为直接检测方法和间接检测方法。

直接检测方法即直接针对膜纤维或膜组件进行测试，直接确定膜的完整性，直接检测法包括压力衰减测试、空气扩散流测试、真空衰减测试等，方法步骤都比较繁琐，人为因素干扰大，对膜组件具有破坏性，在操作上不易实现，而且很难在线检测。间接测试方法主要有浊度检测、颗粒检测、尖峰完整性检测和微生物挑战测试等，属破坏性检测，灵敏度差，分辨率低，通常作为辅助检测手段。浊度是水中颗粒物的替代参数，是表明水中颗粒物的水质指标，是水处理中一项重要的指标，几乎应用于所有的水处理工艺当中，浊度检测价廉，但是灵敏性低。颗粒检测记录所有粒径的颗粒数量，能够提供一个相当大规模的水质数据，比颗粒计数价廉，灵敏性低，比浊度检测灵敏性高。综上所述，开发快速、准确、灵敏、连续、简便的中空纤维膜完整性在线检测方法，已经成为目前精确应用膜技术的重要问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种快速、灵敏、操作简便的中空纤维膜组件完整性检测装置及其检测方法，利用激光方向性好、亮度高、单色性强和高能量密度等特点，根据光学原理和电学原理，灵活运用光电转换技术，具有低廉且灵敏度高的特点。

本发明的目的可通过以下技术方案实现。

本发明的一种中空纤维膜组件完整性在线检测装置，包括设置有进水口和出水口的遮光外壳，所述遮光外壳内设置有激光发射系统、光学检测系统、激光接收系统和显示报警系统；

所述激光发射系统包括并排设置于遮光外壳的内壁上的第一激光发射器和第二激光发射器；所述光学检测系统包括并排设置的第一光学检测器和第二光学检测器；

所述激光接收系统包括并联于直流电压源和地之间的第一信号接收器和第二信号接收器，所述第一信号接收器包括串联连接的第一固定电阻、第一可变电阻和第一光敏电阻，所述第一固定电阻并联有第一电容，所述第二信号接收器包括串联连接的第二固定电阻、第二可变电阻和第二光敏电阻，所述第二固定电阻并联有第二电容；

所述显示报警系统包括报警器和显示器，所述报警器包括串联连接的第三可变电阻和第四可变电阻，所述第四可变电阻并联有发光二极管和蜂鸣器，所述发光二极管和蜂鸣器彼此间串联连接，所述第一固定电阻和第二固定电阻的输入端均连接至第三可变电阻的输入端，所述第一固定电阻和第二固定电阻的输出端均连接至第四可变电阻的输出端；所述显示器包括显示屏，所述第一固定电阻的电压和第二固定电阻的电压分别反馈至无纸记录仪或电压采集系统，通过显示屏实时显示电压波形图。

所述第一光学检测器和第二光学检测器由空心石英长方形柱体构成，尺寸相同，所述第一光学检测器和第二光学检测器之间设置有黑色隔板。

所述第一光学检测器、第一激光发射器和第一光敏电阻处于同一条光路，所述第二光学检测器、第二激光发射器和第二光敏电阻处于同一条光路。

所述遮光外壳设置有用于调节直流电压源输出电压的直流电压调节旋钮，所述遮光外壳设置有用于调节第四可变电阻阻值的报警器音量调节旋钮，所述遮光外壳设置有用于调节第三可变电阻阻值的报警电压调节旋钮。

所述第一光学检测器上端口和出水口通过气泡汇集弯管相连通，所述第一光学检测器下端口和第二光学检测器上端口通过气泡汇集弯管相连通，所述第二光学检测器下端口和进水口通过气泡汇集弯管相连通。

所述气泡汇集弯管共有五处气泡汇集处，进水口至第二光学检测器下端口之间有三处气泡汇集处，第二光学检测器上端口至第一光学检测器下端口之间有两处气泡汇集处。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

一种基于所述的中空纤维膜组件完整性在线检测装置的检测方法，包括以下步骤：

(1)按图纸组装中空纤维膜组件完整性在线检测装置；

(2)将在线检测装置安装在中空纤维膜组件出水口；

(3)启动装置，第一激光发射器和第二激光发射器发射的激光分别穿过第一光学检测器和第二光学检测器，激光接收系统接收激光信号，电压源提供电压，激光接收系统进行光电转换，反馈的电压经传输线路传至显示报警系统，显示器显示电压变化，报警器进行判断；若中空纤维膜组件破损，气泡或水中颗粒物穿过中空纤维膜组件依次进入第一光学检测器和第二光学检测器，反馈的电压降低，发光二极管和蜂鸣器发出报警；反之，若中空纤维膜组件完整，反馈的电压稳定。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明中，整体系统均处在暗环境中，可以有效避免外界光污染对检测装置的干扰，激光具有方向性好、亮度高、单色性强和能量密度高等特点，利用激光光源可以减少对光学检测器的散射，提高测量精度；

(2)本发明中，激光接收系统和显示报警系统通过传输线路连接，减少电路噪声，可以实现高效，快捷的预警，显示器可以实时显示信号变化，可以人为调整检测灵敏度，亦可以实现自动预警，运行稳定，且经济性好；

(3)本发明中，气泡汇集弯管的设计，可以最大程度将小气泡汇集成大气泡，同时多处气泡汇集处的设计，使小气泡几乎全部汇集为较大的气泡，极大程度的提高了检测器的灵敏度；

(4)本发明简单易行，占地小、可操控性强，具有广阔工程应用前景。

附图说明

图1是本发明的外观示意图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的左剖视图；

图4是本发明的俯剖视图；

图5是本发明的光学检测系统示意图；

图6是本发明的激光接收系统电路图；

图7是本发明的报警器电路图。

附图标记:1遮光外壳；2进水口；3出水口；4第一激光发射器；5第二激光发射器；6第一光学检测器；7第二光学检测器；8气泡汇集弯管；9隔板；10第一信号接收器；11报警器；12显示屏；13直流电压调节旋钮；14报警器音量调节旋钮；15报警电压调节旋钮；16第二信号接收器；

DC电压源；R11第一固定电阻；R21第二固定电阻；R12第一可变电阻；RG1第一光敏电阻；R22第二可变电阻；RG2第二光敏电阻；GND地；C1第一电容；C2第二电容；R3第三可变电阻；R4第四可变电阻；LED发光二极管；H蜂鸣器；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的一种中空纤维膜组件完整性在线检测装置，如图1至5所示，包括设置有进水口2和出水口3的遮光外壳1，所述遮光外壳1内设置有激光发射系统、光学检测系统、激光接收系统10和显示报警系统，所述遮光外壳1设置为黑色，避免外界光源干扰。

所述激光发射系统包括并排设置于遮光外壳1的内壁上的第一激光发射器4和第二激光发射器5，激光波长均为650nm，可以独立控制与运行。

所述光学检测系统包括并排设置的第一光学检测器6和第二光学检测器7，所述第一光学检测器6和第二光学检测器7均由空心石英长方形柱体构成，尺寸相同，所述第一光学检测器6和第二光学检测器7之间设置有黑色隔板9，避免装置内光源干扰。所述第一光学检测器6上端口和出水口3通过气泡汇集弯管8相连通，所述第一光学检测器6下端口和第二光学检测器7上端口通过气泡汇集弯管8相连通，所述第二光学检测器7下端口和进水口2通过气泡汇集弯管8相连通。

所述气泡汇集弯管8，共设有五个气泡汇集处，小气泡经进水口2进入气泡汇集弯管，第一集气处8-1为90度弯管，减缓气泡流速，使小气泡轻微汇集，经第一集气处8-1轻微汇集后，伴随水流在第二集气处8-2再次汇集，第二集气处8-2为150度弯管，使大小气泡汇集成更大的气泡，大气泡顺管道加速流到第三集气处8-3再一次汇集，保证经过第二光学检测器7的气泡均为大气泡。第四集气处8-4和第五集气处8-5与以上所述集气处(8-1、8-2、8-3)功能相同。

如图6所示，所述激光接收系统包括并联连接的第一信号接收器10和第二信号接收器16，所述第一信号接收器10包括串联连接的第一固定电阻R11、第一可变电阻R12和第一光敏电阻RG1，所述第一固定电阻R11并联有第一电容C1，所述第二信号接收器16包括串联连接的第二固定电阻R21、第二可变电阻R22和第二光敏电阻RG2，所述第二固定电阻R21并联有第二电容C2。所述第一固定电阻R11和第二固定电阻R21的输入端均连接直流电压源DC，所述第一光敏电阻RG1和第二光敏电阻RG2的输出端均接地GND。所述第一光学检测器6、第一激光发射器4和第一光敏电阻RG1处于同一条光路，所述第二光学检测器7、第二激光发射器5和第二光敏电阻RG2处于同一条光路。其中，所述第一固定电阻R11和第二固定电阻R21的阻值相等，所述第一电容C1和第二电容C2的电容值相等。所述激光接收系统主要功能是光电转换、信号电压调节和过滤电路噪声。

所述显示报警系统包括报警器11和显示器，如图7所示，所述报警器11包括串联连接的第三可变电阻R3和第四可变电阻R4，所述第四可变电阻R4并联有发光二极管LED和蜂鸣器H，所述发光二极管LED和蜂鸣器H彼此间串联连接。所述第一固定电阻R11和第二固定电阻R21的输入端均连接至第三可变电阻R3的输入端，也就是图6中的P1和P4均连接至图7中的P5；所述第一固定电阻R11和第二固定电阻R21的输出端均连接至第四可变电阻R4的输出端，也就是图6中的P2和P3均连接至图7中的P6。所述显示器包括显示屏12，所述第一固定电阻R11的电压和第二固定电阻R21的电压分别反馈至无纸记录仪或类似电压采集系统，也就是P1和P2、P3和P4分别作为两组电压接到无纸记录仪或类似电压采集系统，通过显示屏12实时显示电压波形图，其中，所述显示屏12即为无纸记录仪的屏幕。所述显示报警系统可以即时显示膜组件完整性概况，通过实时监控，可以实现自动报警。

所述遮光外壳1设置有用于调节直流电压源DC输出电压的直流电压调节旋钮13；所述遮光外壳1设置有用于调节第四可变电阻R4阻值的报警器音量调节旋钮14，改变蜂鸣器H的电流大小，进而调节蜂鸣器H的音量大小；所述遮光外壳1设置有用于调节第三可变电阻R3阻值的报警电压调节旋钮15，可以调节报警电压，选择预警范围。

基于上述中空纤维膜组件完整性在线检测装置的检测方法，包括以下步骤：

(1)按图纸组装中空纤维膜组件完整性在线检测装置；

(2)将在线检测装置安装在中空纤维膜组件出水口，将遮光外壳1的进水口2与膜组件出水口连通，遮光外壳1的进水口2进水，水流穿过光学检测系统，经遮光外壳1的出水口3流出，水中的气泡可以在气泡汇集弯管8内汇集成大气泡，有利于提高中空纤维膜组件完整性在线检测装置的灵敏度；

(3)启动中空纤维膜组件完整性在线检测装置，第一激光发射器4和第二激光发射器5发射的激光分别穿过第一光学检测器6和第二光学检测器7，激光接收系统接收激光信号，电压源DC提供电压，激光接收系统进行光电转换，反馈的电压经传输线路传至显示报警系统，显示器显示电压变化，报警器11进行判断，将反馈的电压实时显示在显示屏13；若中空纤维膜组件破损，气泡或水中颗粒物穿过中空纤维膜组件进入第一光学检测器6和第二光学检测器7，反馈的电压降低，发光二极管LED和蜂鸣器H发出报警；反之，若中空纤维膜组件完整，反馈的电压稳定。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种中空纤维膜组件完整性在线检测装置，包括设置有进水口和出水口的遮光外壳，其特征在于，所述遮光外壳内设置有激光发射系统、光学检测系统、激光接收系统和显示报警系统；

所述激光发射系统包括并排设置于遮光外壳的内壁上的第一激光发射器和第二激光发射器；所述光学检测系统包括并排设置的第一光学检测器和第二光学检测器；

所述激光接收系统包括并联于直流电压源和地之间的第一信号接收器和第二信号接收器，所述第一信号接收器包括串联连接的第一固定电阻、第一可变电阻和第一光敏电阻，所述第一固定电阻并联有第一电容，所述第二信号接收器包括串联连接的第二固定电阻、第二可变电阻和第二光敏电阻，所述第二固定电阻并联有第二电容；

所述显示报警系统包括报警器和显示器，所述报警器包括串联连接的第三可变电阻和第四可变电阻，所述第四可变电阻并联有发光二极管和蜂鸣器，所述发光二极管和蜂鸣器彼此间串联连接，所述第一固定电阻和第二固定电阻的输入端均连接至第三可变电阻的输入端，所述第一固定电阻和第二固定电阻的输出端均连接至第四可变电阻的输出端；所述显示器包括显示屏，所述第一固定电阻的电压和第二固定电阻的电压分别反馈至无纸记录仪或电压采集系统，通过显示屏实时显示电压波形图。

2.根据权利要求1所述的一种中空纤维膜组件完整性在线检测装置，其特征在于，所述第一光学检测器和第二光学检测器由空心石英长方形柱体构成，尺寸相同，所述第一光学检测器和第二光学检测器之间设置有黑色隔板。

3.根据权利要求1所述的一种中空纤维膜组件完整性在线检测装置，其特征在于，所述第一光学检测器、第一激光发射器和第一光敏电阻处于同一条光路，所述第二光学检测器、第二激光发射器和第二光敏电阻处于同一条光路。

4.根据权利要求1所述的一种中空纤维膜组件完整性在线检测装置，其特征在于，所述遮光外壳设置有用于调节直流电压源输出电压的直流电压调节旋钮，所述遮光外壳设置有用于调节第四可变电阻阻值的报警器音量调节旋钮，所述遮光外壳设置有用于调节第三可变电阻阻值的报警电压调节旋钮。

5.根据权利要求1所述的一种中空纤维膜组件完整性在线检测装置，其特征在于，所述第一光学检测器上端口和出水口通过气泡汇集弯管相连通，所述第一光学检测器下端口和第二光学检测器上端口通过气泡汇集弯管相连通，所述第二光学检测器下端口和进水口通过气泡汇集弯管相连通。

6.根据权利要求5所述的一种中空纤维膜组件完整性在线检测装置，其特征在于，所述气泡汇集弯管共有五处气泡汇集处，进水口至第二光学检测器下端口之间有三处气泡汇集处，第二光学检测器上端口至第一光学检测器下端口之间有两处气泡汇集处。

7.一种基于上述权利要求1～6中任一项所述的中空纤维膜组件完整性在线检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按图纸组装中空纤维膜组件完整性在线检测装置；

(2)将在线检测装置安装在中空纤维膜组件出水口；

(3)启动装置，第一激光发射器和第二激光发射器发射的激光分别穿过第一光学检测器和第二光学检测器，激光接收系统接收激光信号，电压源提供电压，激光接收系统进行光电转换，反馈的电压经传输线路传至显示报警系统，显示器显示电压变化，报警器进行判断；若中空纤维膜组件破损，气泡或水中颗粒物穿过中空纤维膜组件依次进入第一光学检测器和第二光学检测器，反馈的电压降低，发光二极管和蜂鸣器发出报警；反之，若中空纤维膜组件完整，反馈的电压稳定。