CN108531389A - 一种内浸式厌氧发酵罐参数监测装置及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内浸式厌氧发酵罐参数监测装置及设计方法，该装置包括电机、壳体、传感器组、电源、主控制器和滚珠丝杆；电机设置在厌氧发酵罐外部，其输出轴通过联轴器与设置在厌氧发酵罐内的滚珠丝杆一端轴连接，滚珠丝杆另一端通过螺栓连接在厌氧发酵罐底部；位于滚珠丝杆上设置有壳体，壳体内设置有用于监测厌氧发酵液参数的传感器组、电源和主控制器；传感器组设置在壳体的侧壁上，将监测到的参数信息传输至主控制器内，电源和主控制器位于壳体内中部，由电源为主控制器和传感器组供电；电机由主控制器控制其转动。本发明结构稳定，操作简单，价格低廉，实现了发酵罐内部参数监测。

Description

一种内浸式厌氧发酵罐参数监测装置及设计方法
技术领域
本发明涉及一种参数监测装置及设计方法，特别是关于一种内浸式厌氧发酵罐参数监测装置及设计方法。
背景技术
随着国家对能源问题与环保问题的日益关注，可再生能源技术与利用发展迅速，其中用来处理畜禽粪便、餐厨垃圾、生活污水的沼气工程受到人们广泛关注。沼气工程的主要作用是处理废弃物并产生沼气提供能源，沼气工程包括：进料池、厌氧发酵罐、固液分离机、沼液储存池、凝水器、脱硫塔、储气罐等。沼气工程需要在适宜的温度、压力和pH等条件下才可以正常运行，沼气工程运营的好坏体现在产气量以及气体成分。为实现沼气工程的长期稳定运行，通过传感器对沼气工程运行参数进行实时采集，并通过设备网络对数据进行实时存储与在线监测。
目前传感器大都是单个分散固定安装于厌氧发酵罐外部，但是发酵罐是一个庞大的密闭空间，为了更好的掌握内部发酵情况，提出利用内浸式参数监测装置将在线监测系统的传感器带入发酵罐内部进行可移动监测。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种内浸式厌氧发酵罐参数监测装置及设计方法，其成本低廉，结构简单，性能稳定，可操作性强，有利于提高沼气工程在线监测水平。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种内浸式厌氧发酵罐参数监测装置，该装置设置在厌氧发酵罐内，所述厌氧发酵罐内设置有搅拌桨，所述搅拌桨设置在与搅拌电机的输出轴连接的搅拌轴上，所述搅拌电机设置在所述厌氧发酵罐外部；其特征在于：该装置包括电机、壳体、传感器组、电源、主控制器和滚珠丝杆；所述电机设置在所述厌氧发酵罐外部，其输出轴通过联轴器与设置在所述厌氧发酵罐内的所述滚珠丝杆一端轴连接，所述滚珠丝杆另一端通过螺栓连接在所述厌氧发酵罐底部；位于所述滚珠丝杆上设置有所述壳体，所述壳体内设置有用于监测厌氧发酵液参数的所述传感器组、电源和主控制器；所述传感器组设置在所述壳体的侧壁上，将监测到的参数信息传输至所述主控制器内，所述电源和主控制器位于所述壳体内中部，由所述电源为所述主控制器和传感器组供电；所述电机由所述主控制器控制其转动。
进一步，所述厌氧发酵罐外部设置有组态屏；所述主控制器将接收到的数据经数据线传输至所述组态屏进行显示控制。
进一步，所述电源采用锂电池。
进一步，所述厌氧发酵罐顶部设置有用于为所述锂电池充电的快速充电口，该快速充电口靠近所述滚珠丝杆。
进一步，所述主控制器包括数据采集单片机和运动控制单片机，所述传感器组将监测到的参数信息传输至所述数据采集单片机，所述数据采集单片机将接收到的数据传输至所述运动控制单片机，且所述运动控制单片机通过控制步进电机驱动器来控制电机的转动。
进一步，所述运动控制单片机上设置有GPRS模块；所述运动控制单片机通过该GPRS模块将接收到的参数信息传输至现有远程监控系统，实现对厌氧发酵罐参数的远程监测。
进一步，所述传感器组包括温度传感器、压力传感器、pH传感器、CH4浓度传感器和CO2浓度传感器；所有传感器根据其探头大小及重量均匀布置在所述壳体两侧壁上，且各传感器探头的三分之一位于所述壳体外部，与厌氧发酵液接触；各个探头与所述壳体之间采用O型圈密封。
进一步，所述壳体采用长方形结构，并采用耐腐蚀耐压的ABS塑料制成。
进一步，所述壳体下底面与其它面之间采用垫片和防水密封胶密封。
一种内浸式厌氧发酵罐参数监测装置设计方法，其特征在于包括以下步骤：1)设置一壳体，且壳体采用长方形结构；2)根据厌氧发酵罐内的工作环境，壳体材料选择耐腐蚀耐压的ABS塑料制成；3)根据厌氧发酵罐内的工作环境，设置内浸式参数监测装置的动力系统；动力系统包括滚珠丝杆和电机；电机设置在厌氧发酵罐外部，其输出轴与设置在厌氧发酵罐内的滚珠丝杆一端轴连接，滚珠丝杆另一端通过螺栓连接在厌氧发酵罐底部；壳体设置在滚珠丝杆上，在电机的驱动下，沿滚珠丝杆上下往复运动；4)根据监测对象和预先设定的参数要求，选择传感器并安装于壳体内部，传感器探头的三分之一位于壳体外部，与厌氧发酵液接触，并设置在线监测系统；在线监测系统包括设置在壳体内主控制器；各传感器将监测到的厌氧发酵液参数传输至主控制器内，并由主控制器传输至设置在厌氧发酵罐外部的组态屏；主控制器包括数据采集单片机和运动控制单片机，数据采集单片机将接收到的传感器监测数据传输至运动控制单片机，运动控制单片机用于控制电机的转动；5)选择电源为锂电池，并将电源设置在壳体内，为主控制器和传感器供电；6)在传感器探头与壳体之间，以及壳体本身结构之间选择密封方式：壳体本身结构之间采用垫片与防水密封胶密封，各个探头与壳体之间采用O型圈密封。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明可以不用取样，直接在发酵罐内部得到发酵液实时的温度、压力、pH值、CH4和CO2浓度，在实现实时在线监测的同时，可以根据所得参数值快速进行沼气工程调整，减少因反馈不及时产生的沼气工程停运情况。2、本发明外形采用长方形有利于内浸式参数监测装置的上下运动，外壳材料选用ABS塑料可以降低成本，由于发酵罐内部料液需要搅拌的特殊情况采用固定位置的上下运动方式，减少内浸式参数监测装置与罐壁以及搅拌器之间的碰撞。3、本发明将不同监测参数集成到一起，即同时获得不同参数，监测更具时效性。4、本发明选择锂电池为内浸式参数监测装置内部传感器供电，可以重复多次充电，并降低重量。5、本发明将装置进行密封，有效增加了内浸式参数监测装置的密封效果。6、本发明成本低廉，结构简单，性能稳定，可操作性强，有利于提高沼气工程在线监测水平。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是本发明的在线监测结构示意图；
图3是本发明的装置设计方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供一种内浸式厌氧发酵罐参数监测装置，该装置设置在厌氧发酵罐1内，厌氧发酵罐1内设置有搅拌桨2，搅拌桨2设置在与搅拌电机3的输出轴连接的搅拌轴上，由搅拌电机3带动其动作；搅拌电机3设置在厌氧发酵罐1外部。本发明的装置包括电机4、滚珠丝杆5、壳体6、传感器组7、电源8和主控制器9。电机4设置在厌氧发酵罐1外部，其输出轴通过联轴器与设置在厌氧发酵罐1内的滚珠丝杆5一端轴连接，滚珠丝杆5另一端通过螺栓连接在厌氧发酵罐1底部，且滚珠丝杆5与搅拌轴平行设置。位于滚珠丝杆5上设置有壳体6，壳体6内设置有用于监测厌氧发酵液参数的传感器组7、电源8和主控制器9；传感器组7设置在壳体6侧壁上，将监测到的参数信息传输至主控制器9内，电源8和主控制器9位于壳体6内中部，由电源8为主控制器9和传感器组7供电。电机4由主控制器9控制其转动，进而带动设置在滚珠丝杆5上的壳体6沿滚珠丝杆5上下移动，并有效避免了壳体6的左右摇摆以及在厌氧发酵液中的漂动。
上述实施例中，位于厌氧发酵罐1外部还设置有组态屏10。主控制器9将接收到的数据经数据线传输至组态屏10，进行显示控制。其中，数据线可以采用RS232数据线。
上述各实施例中，电源8采用锂电池。在厌氧发酵罐1顶部还设置有快速充电口，该快速充电口靠近滚珠丝杆5；当壳体6运动到厌氧发酵罐1顶部时可以定期为锂电池进行充电。
上述各实施例中，主控制器9包括数据采集单片机和运动控制单片机，两单片机均采用型号为STM32F103C8T6的单片机。传感器组将监测到的参数信息传输至数据采集单片机，传感器组与数据采集单片机之间采用RS485通信，通信协议采用Modbus-RTU。数据采集单片机将接收到的数据传输至运动控制单片机，两单片机之间采用433M无线模块进行信号传输，运动控制单片机通过控制步进电机驱动器来控制电机4的转动，同时实现采集数据与运动控制的功能(如图2所示)。
其中，在运动控制单片机上还设置有GPRS模块；运动控制单片机通过该GPRS模块将接收到的参数信息传输至现有远程监控系统，实现对厌氧发酵罐参数的监测。
上述各实施例中，传感器组7包括温度传感器、压力传感器、pH传感器、CH4浓度传感器和CO2浓度传感器。所有传感器根据其探头大小及重量均匀布置在壳体6两侧壁上，且各传感器探头的三分之一位于壳体6外部，与厌氧发酵液接触，各个探头与壳体6之间采用O型圈密封。
上述各实施例中，壳体6采用长方形结构，其下底面与其它面之间采用垫片和防水密封胶密封。壳体6采用耐腐蚀耐压的ABS塑料制成。
如图3所示，本发明还提供一种内浸式厌氧发酵罐参数监测装置设计方法，其包括以下步骤：
1)设置一壳体6，并选择壳体6形体；
壳体6采用长方形结构；由于内浸式参数监测装置是在厌氧发酵液中工作，需要保证密封的前提下将各监测部件装入壳体6内部，为了方便安装和减小内浸式参数监测装置上下运动时的阻力，降低能源消耗，故选择长方形结构。
2)根据厌氧发酵罐1内的工作环境，选择壳体6材料；
壳体6采用耐腐蚀耐压的ABS塑料制成；
选择材料首先应考虑的是工作环境，其次是成本，加工难易程度等，内浸式参数监测装置工作条件比较恶劣，厌氧发酵液原料一般是畜禽粪便、餐厨垃圾、生活废弃物等，腐蚀性比较强，浑浊度比较高，含有固体物质，所以首先选择耐腐蚀性材料，比如塑料、不锈钢、有机玻璃等，综合考虑加工难易、成本高低、传输信号好坏等因素，故选择容易加工、成本低、不干扰信号的ABS塑料。
3)根据厌氧发酵罐1内的工作环境，设置内浸式参数监测装置的动力系统；
动力系统包括滚珠丝杆5和电机4；电机4设置在厌氧发酵罐1外部，其输出轴与设置在厌氧发酵罐1内的滚珠丝杆5一端轴连接，滚珠丝杆5另一端通过螺栓连接在厌氧发酵罐1底部；壳体6设置在滚珠丝杆5上，在电机4的驱动下，沿滚珠丝杆5上下往复运动，没有左右摇摆以及在厌氧发酵液中的漂动；
通过滚珠丝杠9固定壳体6的运动位置。由于沼气工程中大多数都需要搅拌，厌氧发酵液是流动的，如果不将内浸式参数监测装置的壳体6固定，则壳体6可能会因接触到搅拌器而损坏。
4)根据监测对象和预先设定的参数要求，选择传感器并安装于壳体6内部，传感器探头的三分之一位于壳体6外部，与厌氧发酵液接触，并设置在线监测系统；
在线监测系统包括设置在壳体6内主控制器9；各传感器将监测到的厌氧发酵液参数传输至主控制器9内，并由主控制器9传输至设置在厌氧发酵罐1外部的组态屏10进行现场监测；主控制器9包括数据采集单片机和运动控制单片机，数据采集单片机将接收到的传感器监测数据传输至运动控制单片机，运动控制单片机通过控制步进电机驱动器来控制电机4的转动。
5)选择电源，并将电源设置在壳体6内；
电源采用锂电池，为主控制器9和传感器供电；
电池种类主要有锌锰电池、氢镍电池、锂电池和铅酸电池等，各自优缺点是：锌锰电池廉价、自放电小，但是内阻大、电流小；氢镍电池通用性强、电流大、环保稳定，但电池寿命较短、不耐过饱充；锂电池无记忆效应、重量较轻、可充电，但成本高、电流较小、不耐过饱充；铅酸电池容量大、可充电，但体积重量大。由于是内置式装置，要考虑的是电池体积以及充放电问题，所以选择氢镍电池或锂电池；由于内浸式参数监测装置内部电流较小，要考虑的是电池寿命及电流大小，所以选择锂电池或锌锰电池，所以综合考虑选择锂电池。
6)在传感器探头与壳体6之间，以及壳体6本身结构之间选择密封方式，以保证密封性：壳体6本身结构之间采用垫片与防水密封胶密封，各个探头与壳体6之间采用O型圈密封。
上述步骤4)中，传感器包括温度传感器、压力传感器、pH传感器、CH4浓度传感器和CO2浓度传感器，根据传感器探头的大小以及重量分布在壳体6两个侧面上。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种内浸式厌氧发酵罐参数监测装置，该装置设置在厌氧发酵罐内，所述厌氧发酵罐内设置有搅拌桨，所述搅拌桨设置在与搅拌电机的输出轴连接的搅拌轴上，所述搅拌电机设置在所述厌氧发酵罐外部；其特征在于：该装置包括电机、壳体、传感器组、电源、主控制器和滚珠丝杆；所述电机设置在所述厌氧发酵罐外部，其输出轴通过联轴器与设置在所述厌氧发酵罐内的所述滚珠丝杆一端轴连接，所述滚珠丝杆另一端通过螺栓连接在所述厌氧发酵罐底部；位于所述滚珠丝杆上设置有所述壳体，所述壳体内设置有用于监测厌氧发酵液参数的所述传感器组、电源和主控制器；所述传感器组设置在所述壳体的侧壁上，将监测到的参数信息传输至所述主控制器内，所述电源和主控制器位于所述壳体内中部，由所述电源为所述主控制器和传感器组供电；所述电机由所述主控制器控制其转动。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述厌氧发酵罐外部设置有组态屏；所述主控制器将接收到的数据经数据线传输至所述组态屏进行显示控制。
3.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述电源采用锂电池。
4.如权利要求3所述装置，其特征在于：所述厌氧发酵罐顶部设置有用于为所述锂电池充电的快速充电口，该快速充电口靠近所述滚珠丝杆。
5.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述主控制器包括数据采集单片机和运动控制单片机，所述传感器组将监测到的参数信息传输至所述数据采集单片机，所述数据采集单片机将接收到的数据传输至所述运动控制单片机，且所述运动控制单片机通过控制步进电机驱动器来控制电机的转动。
6.如权利要求5所述装置，其特征在于：所述运动控制单片机上设置有GPRS模块；所述运动控制单片机通过该GPRS模块将接收到的参数信息传输至现有远程监控系统，实现对厌氧发酵罐参数的远程监测。
7.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述传感器组包括温度传感器、压力传感器、pH传感器、CH4浓度传感器和CO2浓度传感器；所有传感器根据其探头大小及重量均匀布置在所述壳体两侧壁上，且各传感器探头的三分之一位于所述壳体外部，与厌氧发酵液接触；各个探头与所述壳体之间采用O型圈密封。
8.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述壳体采用长方形结构，并采用耐腐蚀耐压的ABS塑料制成。
9.如权利要求8所述装置，其特征在于：所述壳体下底面与其它面之间采用垫片和防水密封胶密封。
10.一种内浸式厌氧发酵罐参数监测装置设计方法，其特征在于包括以下步骤：
1)设置一壳体，且壳体采用长方形结构；
2)根据厌氧发酵罐内的工作环境，壳体材料选择耐腐蚀耐压的ABS塑料制成；
3)根据厌氧发酵罐内的工作环境，设置内浸式参数监测装置的动力系统；
动力系统包括滚珠丝杆和电机；电机设置在厌氧发酵罐外部，其输出轴与设置在厌氧发酵罐内的滚珠丝杆一端轴连接，滚珠丝杆另一端通过螺栓连接在厌氧发酵罐底部；壳体设置在滚珠丝杆上，在电机的驱动下，沿滚珠丝杆上下往复运动；
4)根据监测对象和预先设定的参数要求，选择传感器并安装于壳体内部，传感器探头的三分之一位于壳体外部，与厌氧发酵液接触，并设置在线监测系统；
在线监测系统包括设置在壳体内主控制器；各传感器将监测到的厌氧发酵液参数传输至主控制器内，并由主控制器传输至设置在厌氧发酵罐外部的组态屏；主控制器包括数据采集单片机和运动控制单片机，数据采集单片机将接收到的传感器监测数据传输至运动控制单片机，运动控制单片机用于控制电机的转动；
5)选择电源为锂电池，并将电源设置在壳体内，为主控制器和传感器供电；
6)在传感器探头与壳体之间，以及壳体本身结构之间选择密封方式：壳体本身结构之间采用垫片与防水密封胶密封，各个探头与壳体之间采用O型圈密封。
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